WO2004069439A1

WO2004069439A1 - Verfahren zur thermischen in-situ reinigung von grundwasserleitern und des grundwasserschwankungsbereichs

Info

Publication number: WO2004069439A1
Application number: PCT/DE2003/001530
Authority: WO
Inventors: Oliver Trötschler; Hans-Peter Koschitzky; Arne FÄRBER
Original assignee: Universität Stuttgart
Priority date: 2003-02-01
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-08-19
Also published as: DE10304212A1; JP3810783B2; JP2006512203A

Abstract

Ei dem gängigen Verfahren zur Reinigung von Grundwasserleitern durch Luftinjektion ist die Sanierungseffizienz limitiert durch die geringe Flüchtigkeit der Schadstoffe und die unkontrollierbare Ausbreitung der injizierten Luft durch Ausbildung bevorzugter Fliesswege. Eine Sattdampfinjektion löst durch Erhöhung der Aquifertemperatur das Problem der geringen Schadstoffflüchtigkeit, führt aber eher zu einer Schadstoffverlagerung als zu einer Reinigung. Durch Injektion eines SattdampfInertgasgemischs kommt es unter Konsolidierung der bevorzugten Fliesswege zu einer kohärenten Wärmefront unter gleichzeitiger Ausnutzung der Temperatureffekte wie bei reinem Dampf. Weiterhin wird die Akkumulierung und unkontrollierte Mobilisierung der kondensierenden Schadstoffe, wie sie bei alleiniger Injektion von Sattdampf an der Wärmefront auftritt, durch den kontinuierlichen Austrag der Schadstoffe in die ungesättigte Zone über das Trägergas vermieden. Dieses kann über Standardverfahren abgesaugt werden. Durch eine an die standortspezifische Hydrogeologie und die Schadstoffe angepasste Betriebsweise der Trägergas-Dampf-Gemischinjektion kann die laterale Ausdehnung der Wärmefront und somit die Reichweite der einzelnen Injektionsbrunnen gesteuert und optimiert werden.

Description

VERFAHREN ZUR THERMISCHEN IN-SITU REINIGUNG VON GRUNDWÄSSERLEITERN UND DES GRUNDWASSERSCHWANKUNGSBEREICHS

Hintergrund der Erfindung

Für die In-situ-Reinigung der ungesättigten Bodenzone von Schadstoffen wie z.B. organischen Kohlenwasserstoffverbindungen können thermische Verfahren wie z.B. die Dampfinjektion (W091/02849) zur Unterstützung der konventionellen Bodenluftabsaugung mittlerweile als Stand der Technik bezeichnet werden. Da zur Injektion fluider Wärmeträgermedien in poröse Medien in der Vergangenheit, beginnend mit den Anwendungen für die Ölindustrie, bereits einige Jahrzehnte an Forschungsarbeit geleistet wurde, weltweit eine entsprechende Anzahl von Patenten erteilt wurden und darüber hinaus die bei der Verfahrensanwendung ablaufenden physikalischen Prozesse recht komplexer Natur sind, erscheint es sinnvoll, hier zunächst einen Überblick über die wichtigen bestehenden Patente und den Stand von Wissenschaft und Technik zu gewinnen.

Wichtige Patente:

WO 91/02849 Udell et al., 1991 : das Grundpatent zur Dampfinjektion in die ungesättigte Bodenzone. Die gesättigte Bodenzone und der Kapillarsaum ebenso wie der Grundwasserwechselbereich können damit prinzipbedingt nicht gereinigt werden.

US 5279740: Basile et al., 1992: Simultane Injektion von Dampf und Bakterien und Nährstoffen, um den mikrobiellen Abbau von Schadstoffen zu verstärken.

DE 18707096 C1 Färber et al., 1997: Erweitert die Injektion auf ein gesättigtes Dampf-Luft-Gemisch. Das Verfahren arbeitet, ohne auf die spezifischen Erschwernisse der gesättigten Zone ausgelegt zu sein, lediglich in der ungesättigten Bodenzone und ebenso wie WO 91/02849 weder im Kapillarsaum noch im Grundwasserwechselbereich.

WO 00/35608: Eaker et al., 1998: Dampfinjektion zwischen zwei undurchlässigeren Schichten, was unter diesen speziellen Randbedingungen prinzipiell zwar funktioniert, jedoch bereits in Basel et al. im Jahr 1991 veröffentlicht wurde; die darin weiter angemeldeten Ansprüche zur Temperatursteuerung der Schichtenrandbedingungen sind physikalisch unsinnig, da dies durch eine Dampfinjektion prinzipbedingt nicht steuerbar ist.

US 6142706 Aines et al., 2000: erweitern die Dampfinjektion/elektrische Wärmequellen um eine thermische Barriere, die über Nassoxidation Schadstoffe zerstören soll. Die Funktion des Verfahrens ist unter strömungsmechanischen und thermodynamischen Aspekten als zweifelhaft anzusehen.

Stand von Technik und Wissenschaft:

Die besonderen Vorteile von thermischen Verfahren liegen in der Ausnutzung der thermodynamischen Phasengleichgewichte begründet, für die eine zumeist exponentielle Temperaturabhängigkeit besteht. Dadurch kommt es bei einer Erwärmung von verunreinigtem Untergrund zu einer beträchtlichen Erhöhung des Stoffübergangs von den flüssigen Phasen, die i.d.R. den größten Anteil an Schadstoff enthalten, in die Gasphase, welche dann über Standardmethoden wie z.B. eine Bodenluftabsaugung aus dem Boden extrahiert werden kann. Ein weiterer Vorteil der thermischen Verfahren besteht in dem isotropen Ausbreitungsverhalten der Wärmefront im Untergrund, die, bedingt durch Wärmetransferprozesse, zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Untergrunds und zu einer Dämpfung des Einflusses von heterogenen Bodenstrukturen führt. Diese Heterogenitäten sind es letztlich, die bei sämtlichen derzeit existierenden In-situ-Verfahren zur Reinigung von kontaminiertem Untergrund, gleichgültig auf welchem physikalischen Prinzip sie nun basieren, zu einer Limitierung der Reinigungsleistung und damit einhergehend auch zu einer Limitierung der ökonomisch effizienten Anwendbarkeit dieser Verfahren führen: hydraulisch gut durchlässige Bodenbereiche werden schnell und effizient gereinigt, während der Stofftransport aus den schlechter durchlässigen Bereichen heraus hauptsächlich über (sehr langsam wirkende) Diffusionsprozesse begrenzt wird. Der Einsatz von Wärme ändert an diesem grundsätzlichen Sachverhalt nichts, jedoch laufen alle Prozesse auf einem höheren Temperaturniveau und damit mit um Größenordnungen größeren Stofftransferraten ab. Entsprechend verspricht eine thermische In-situ-Reinigung daher grundsätzlich eine deutlich schnellere Sanierungszeit als ein „kaltes Verfahren". Eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Untergrunds ist allerdings für einen ökonomisch vorteilhaften Einsatz der thermisch unterstützten In- situ-Verfahren die Grundvoraussetzung.

In der ungesättigten Bodenzone ist dies z.B. für das schon genannte Verfahren der Dampfinjektion hinreichend gewährleistet, was sich über umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen (Itamura et al. 1993, Färber 1997, Betz 1998) und auch anhand von mehreren erfolgreichen, wissenschaftlich begleiteten Feldanwendungen (Schmidt et al. 2000, Koschitzky et al. 2001) nachweisen ließ. Die gleichmäßige Erwärmung des Untergrunds lässt sich in der ungesättigten Zone i.d.R. mit einer ökonomisch vertretbaren Anzahl von Injektions- und Extraktionsbrunnen bewerkstelligen. Eine aus diesem Aspekt resultierende Grenze für die Anwendbarkeit des Verfahrens ergibt sich - wie prinzipbedingt für alle Verfahren, bei denen Strömungen von Fluiden im Boden erzeugt werden - grundsätzlich durch die hydraulische Durchlässigkeit des Untergrunds: mit einer Zunahme dieses als Strömungswiderstand wirkenden Boden- und Fluidparameters steigen die Reibungskräfte an, und die Konvektionströme nehmen proportional ab. Sowohl die in Form von Dampf injizierbare Leistung, als auch der mit Schadstoff beladene, über Extraktionsbrunnen absaugbare Bodenluftmassenstrom, ist daher beispielsweise für einen Lehmboden zu gering, um ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden zu können. Als weiterer limitierender Faktor für eine ökonomisch vertretbare Anwendung der auf Wasserdampf basierenden thermischen In-situ-Verfahren ist die Flüchtigkeit der Schadstoffe zu nennen, da schwer flüchtige Substanzen wie z.B. Schweröl oder polyzyklische Aromalenverbindungen, die unter normalen Umgebungsbedingungen zumeist als Feststoffe vorliegen, selbst bei Dampftemperaturen eine zu geringe Flüchtigkeit für einen ausreichenden Stoffübergang in die Bodenluft besitzen.

Durch den Zusatz von Luft zum Dampf (DE 19707096C1) lässt sich das Verfahren der Dampfinjektion in die ungesättigte Bodenzone dahingehend verbessern, dass unter Beibehaltung der isotropen Ausbreitung der Wärmefront ein unerwünschtes Auskondensieren des Schadstoffs an dieser Front stark reduziert wird. Dieses Prinzip ist momentan lediglich anhand von wissenschaftlichen Untersuchungen im Labor- und halbtechnischen Maßstab (Schmidt et al. 1998, Schmidt 2000) zwar hinreichend nachgewiesen, Stand der Technik ist es noch nicht. Beide Verfahren - die reine Dampfinjektion und die kombinierte Dampf-Luftinjektion - funktionieren im Rahmen der bereits genannten Anwendungsgrenzen lediglich in der rein ungesättigten Zone. Bereits im Kapillarsaum (hier sind häufig besonders hohe Schadstoffkonzentrationen anzutreffen) und insbesondere im eigentlichen Grundwasserbereich (= gesättigte Bodenzone) treten andere Prozesse in den Vordergrund, die zu einer erheblichen Behinderung der Wärmeausbreitung führen: Auftriebsund Kapillarkräfte üben hier einen maßgeblichen Einfluss aus. Die Auftriebskräfte erzwingen eine starke vertikale Aufwärtsbewegung einer Gasphase und behindern damit gerade bei Grundwasserleitern mit hoher hydraulischer Durchlässigkeit die gewünschte horizontale Ausbreitung z.B. einer mittels Dampf generierten Wärmefront. Daraus resultieren, unter ökonomischen Gesichtspunkten betrachtet, unvertretbar kleine Abstände der Injektionsbrunnen (einschließlich der jeweils zugehörigen Extraktionsbrunnen), um eine gleichmäßige Erwärmung des Untergrunds und damit eine Erschließung für einen effizienten Abreinigungsprozess zu erreichen. Dies stellt ein physikalisch bedingtes Kernproblem bei der Injektion von Gasen oder Dämpfen in die gesättigte Bodenzone zum Zwecke der Schadstoffentfernung dar. Hier knüpft das vorliegende Patent an, das durch die Injektion eines Gemischs von Dampf und Inertgas in die gesättigte Bodenzone in Verbindung mit einer an die dem jeweiligen Anwendungsfall spezifischen Randbedingungen angepassten Betriebsweise zu einer effizienten Reinigung des Untergrunds von Schadstoffen führt.

Die Prozesse sind komplex, da sich das Ausbreitungsverhalten von kaltem inertem Gas (z.B. Luft), Dampf oder von Dampf-Inertgasgemischen in einem gesättigten porösen Medium signifikant voneinander unterscheiden. Die Injektion von kalter (Umgebungstemperatur) Luft, wie sie beim sogenannten „Air-Sparging"-Verfahren angewandt wird, führt durch Kapillarkräfte bedingt zur Ausbildung von einzelnen bevorzugten Luftfließpfaden (vergleichbar einem stark verästelten Baum). In diesen Pfaden bzw. in deren unmittelbarem Umgebungsbereich kann bei hinreichend hoher Flüchtigkeit eine ausreichende Reinigung erzielt werden. Die Sanierungseffizienz dieses Verfahrens ist jedoch (neben der Flüchtigkeit der Schadstoffe) im wesentlichen limitiert durch die unkontrollierbare, bereits von sehr schwach heterogenen Bodenstrukturen signifikant beeinflusste, ungleichmäßige Ausbildung der Luftfließpfade und damit durch eine ineffiziente Erschließung des Untergrunds für den Reinigungsprozess.

Dampf verhält sich hier gänzlich anders, da die gekoppelten, Wärmetransfer- und Phasenübergangsprozesse den Einfluss der Kapillarkräfte stark dämpfen und anstatt einzelner Fließpfade eine stabile Wärmefront erzeugen, in der sich die Gasphase kohärent über einen größeren Bereich erstreckt, der einheitlich auf Sattdampftemperatur aufgeheizt ist. Der Dampf kondensiert an der Front vollständig aus und gibt dabei seine Verdampfungsenthalpie zur weiteren Ausbreitung der Wärmefront ab. Nichtsdestotrotz führt der Einsatz von Sattdampf in der gesättigten Zone, obwohl die Erwärmung eine beträchtliche Erhöhung des Stoffübergangs Wasser-Gasphase mit sich bringt, zunächst nur zu einer Akkumulation des Schadstoffs in flüssiger Form an bzw. hinter der Wärmefront und nicht zwangsläufig zu der gewünschten Verfrachtung nach oben. Je nach Dichte des Schadstoffs und der lokalen Aquiferstruktur bewegt sich diese nunmehr mobilisierte Phase im 2-Phasen-System Wasser-Schadstoff von der Wärmefront weg in unkontrollierbarer Weise in alle räumlichen Richtungen (Schwerkraft und Kapiilarkräfte dominieren diesen Prozess). Eine Entfernung des Schadstoffs aus der gesättigten Zone heraus findet dabei nur äußerst begrenzt statt, und die Verfahrensanwendung wird durch diesen Effekt, insbesondere in Verbindung mit der bereits beschriebenen, begrenzten horizontalen Ausbreitung der Front im Regelfall ineffizient sein. Für Stoffe mit einer Dichte größer als Wasser stellt die Injektion von reinem Dampf durch die schwerkraftbedingte potenzielle Verlagerung der an der Wärmefront akkumulierten Schadstoffe in tiefer gelegene Aquiferbereiche sogar eine starke Gefährdung der Umwelt dar. Eine Sanierung mit Dampf ist hier nur unter außergewöhnlichen hydrogeologischen und schadstoffabhängigen Randbedingungen prinzipiell möglich, die Effizienz ist generell äußerst fragwürdig. Basel et al. 1989 wenden beispielsweise eine reine Dampfinjektion für einen Grundwasserleiter, der, von sehr geringer Mächtigkeit, oben und unten von undurchlässigen Schichten eingefasst ist. In diesem Fall spielt die Form der Wärmefront keine wichtige Rolle, da die Auftriebskräfte durch die geringe Mächtigkeit der Schicht keine Entfaltungsmöglichkeit haben. Dieses, im Bereich der Erdölgewinnung unter dem Begriff „Steam drive" bekannte, Verfahrensprinzip wird als sekundäre Ölfördermaßnahme bereits seit längerem eingesetzt (van Lookeren, 1983).

Beschreibung des Patentgegenstands:

Bei der Injektion eines Inβrtgas-Dampf-Gemischs in die gesättigte Bodenzone sind in zwei räumlich voneinander abgegrenzten Bereichen die geschilderten Phänomene von kalter Luft und von Dampf zu beobachten: die Ausbildung einer stabilen Wärmefront, in der der Dampfanteil auskondensiert und sämtlicher von der Front erfasster Schadstoff verdampft werden kann. Außerhalb dieser Front entstehen im noch kalten Bodenbereich bevorzugte Fließpfade für den die Front durchströmenden Inertgasanteil, der als Trägermedium für den Schadstoff dient. Dieses Inertgas-Schadstoffgemisch strömt unter den physikalischen Gesetzmäßigkeiten des Air-Sparging gefahrlos und kontinuierlich in die ungesättigte Bodenzone, wo es gemeinsam mit der Bodenluft über Extraktionsbrunnen abgesaugt werden kann. Das Verfahren wird solange fortgesetzt, bis die Wärmefront die Extraktionsbrunnen zumindest erreicht hat bzw. bis die dort gemessenen Konzentrationen eine vollständige Reinigung des Untergrunds erwarten lassen.

Durch diese kombinierte Injektion von Sattdampf und Inertgas lassen sich die prinzipiellen Vorzüge der Dampfinjektion (stabile, kohärente Sanierungsfront anstelle von Einzelpfaden und starke Erhöhung des Stofftransfers durch den Einsatz von thermischer Energie) unter Vermeidung der geschilderten spezifischen Nachteile (Entstehen einer unkontrollierbaren flüssigen Schadstoffphase) nutzen, wobei die effiziente Sanierung des Untergrundes über eine an die jeweilige Hydrogeologie des Standorts und die Art und Verteilung des Schadstoffs individuell anzupassende Betriebsweise (im folgenden aufgeführt) erzielbar ist.

Die Betriebsweise muss dabei folgende Maßgaben erfüllen:

(1 ) Um eine möglichst große horizontale Ausbreitung der Wärme- und Sanierungsfront zu erzielen, ist zur hierfür erforderlichen Maximierung der Reibungskräfte stets eine Maximierunq des injizierten Dampf-Inertgasstroms anzustreben. Limitierend wirkt hier zum einen die unzureichende Einbindung der Injektionsbrunnen an den umliegenden Boden bzw. ihr Eigengewicht und zum anderen die begrenzte Erdauflast über den Injektionspunkten, so dass es zu einer Aufwärtsbewegung der Brunnen bzw. des umliegenden Bodens kommen kann (hydraulischer Grundbruch). Weiterhin geht das für poröse Medien im Regelfall geltende lineare Fließgesetz (Darcy-Gesetz) bei sehr hohen Durchflüssen bzw. großen charakteristischen Korndurchmesser des Mediums in ein quadratisches Fließgesetz über, das den Injektionsstrom stark begrenzt: Kiesaquifere sind daher in keinem Fall über dieses Verfahren reinigbar.

(a) Bei hinreichender Beschwerung der Injektionsbrunnen über Zusatzgewichte bzw. deren Anbindung an den umliegenden Boden über aushärtende Ausgleichmassen (z.B. Zement- Bentonit-Suspension) lässt sich eine Maximierung des Injektionsdrucks erzielen, welche der über dem Injektionsniveau befindlichen Erdauflast entspricht.

(b) Durch geeignete Verankerung der Injektionsbrunnen lässt sich der maximale Injektionsdruck unter Berücksichtigung der Coulomb'schen Erddrucktheorie über den erzielten Betrag gemäß Punkt (a) noch weiter steigern.

(c) Das Injektionsniveau ist möglichst tief im Grundwasser zu wählen. Dies erhöht zum einen die Erdauflast und simultan wird hierdurch ein weiterer thermodynamischer Effekt zur Erhöhung der lateralen Ausbreitung der Sanierungsfront erzielt: Das gasförmige Inertgas- Dampfgemisch expandiert gemäß idealem Gasgesetz während des Aufstiegs über der Injektionsstelle entsprechend der hydrostatischen Druckverteilung im umliegenden Aquifer, die Dichte verhält sich also umgekehrt proportional zu dem im Grundwasser vorliegenden Gesamtdruck. Die Temperatur reduziert sich dabei gemäß dem exponentiellen Charakter der Dampfdruckkurve nur unwesentlich. Durch die Volumenexpansion erhöhen sich die Reibungskräfte und die gewünschte horizontale Ausbreitung der Sanierungsfront wächst an. Begrenzt wird die Injektionstiefe durch geologisch undurchlässigere Formationen und die Tatsache, dass das aufzuheizende Bodenvolumen und damit proportional die zwar nicht dominierenden aber nicht gänzlich vernachlässigbaren Energiekosten ansteigen.

(2) Anpassung der Betriebsweise an die Schadstoffeigenschaften: Hierbei ist zunächst grundsätzlich zwischen Gefährdungspotenzial und Sanierungseffizienz zu unterscheiden. Ersteres trifft zu für Schadstoffe, deren Dichte größer als Wasser ist (in der entsprechenden englischensprachigen Wissenschaftssprache als DNAPL, Dense non aqueous ßhase Hquids bezeichnet). Wohingegen für LNAPL (Light non aqueous ßhase liquids) infolge ihrer geringeren Dichte als Wasser keine abwärtsgerichtete Bewegung infolge der Mobilisierung durch die Wärmefront zu befürchten ist, sondern lediglich die Effizienz der Sanierung verbessert werden kann. Es ergibt sich folgende unterschiedliche Maßgabe:

(a) Für DNAPL muss der Trägergasanteil zunächst in sehr hohen Molanteilen zugemischt werden, um einen hinreichenden Abtransport der Schadstoffe über das Trägergas sicherzustellen (Größenordnung X_TG ca. 95% bis mindestens ca. 50% ). Eine Kontrolle erfolgt hierbei unter Zuhilfenahme einer möglichst kontinuierlichen Schadstoffkonzentrationsmessung an den Extraktionsbrunnen und, nach Installation von entsprechenden Temperaturmesssystemen, durch Messung der Bodentemperaturen im anvisierten Sanierungsbereich. Hierdurch lässt sich in erster Näherung auf das Erschließen von größeren Bereichen mit hohen Schadstoffkonzentrationen rückschließen. Durch einen hinreichend hohen Trägergasanteil ist eine Absaugkonzentration deutlich unter dem bei der Extraktionsgastemperatur herrschenden Sättigungsdampfdruck der Schadstoffe sicherzustellen. Mit dem Absinken der Konzentrationen nach einer gewissen Betriebszeit ist der Trägergasanteil sukzessive kontinuierlich oder in Stufen zu reduzieren, während der gesamt injizierte Massenstrom des Gemischs durch simultane Erhöhung des Dampfmassenstroms in etwa konstant zu halten ist. Dadurch erhöht sich zum einen die Gemischtemperatur und der Stofftransfer steigt an, zum anderen werden die Reibungskräfte konstant gehalten. Wird nur der Trägergasanteil reduziert und der Dampfanteil konstant gehalten, reduziert sich der injizierte Gesamtmassenstrom und die Reibungskräfte werden reduziert. Dadurch kollabiert ein Teil der Sanierungsfront, füllt sich mit einströmendem Wasser, und dieser Bereich ist für den gewünschten Schadstofftransfer ins gasförmige Injektionsgemisch nicht mehr erreichbar.

(b) Zur groben Einschätzung der lokalen Schadstoffverteilung des DNAPL und zur Ermittlung der extrahierbaren Schadstoffkonzentrationen ist für jede Injektionsvorrichtung vor Anwendung von Punkt (2a) zunächst eine probeweise Trägergasinjektion mit sehr geringem Dampfanteil (Xw_asse. = 1 bis 2%), also auf niedrigstem Temperaturniveau durchzuführen.

(c) Bei LNAPL steht eine Steigerung der Sanierungseffizienz im Vordergrund. Diese Schadstoffe werden als Phase i.d.R. im Grundwasserschwankungsbereich bzw. höchstens knapp unterhalb von diesem anzutreffen sein. Dieser Bereich muss von der Wärmefront hinreichend erfasst werden, und eine Akkumulation größerer Mengen an kondensierendem Schadstoff hinter der Wärmefront, der dann u.U. von der Wärmefront nicht mehr erreicht wird, ist zu vermeiden. Der Trägergasanteil kann daher in beliebigen Molanteilen zugemischt werden, solange er hinreichend groß ist (in einer Größenordnung des Trägergases X_TG von mindestens ca. 1 %). Eine Kontrolle der Extraktionskonzentrationen analog zu Punkt (a) zur Einschätzung der lokalen Schadstoffverteilung unter Berücksichtigung der aktuellen Lage und Temperatur der Wärmefront ist empfehlenswert.

(3) Anpassung der Betriebsweise an die lokale Hvdrogeologie: Das spezifische Ausbreitungsverhalten von LNAPL und DNAPL in der gesättigten Bodenzone bzw. im Grundwasserschwankungsbereich ist in die Abschätzung der jeweils aktuellen Sanierungssituation gemäß Punkt (2a) bis (2c) einzubeziehen. Besondere Gefährdung für eine potenzielle Mobilisierung einer flüssigen Schadstoffphase stellen zwangsläufig Bereiche mit einer bereits hohen Anfangskonzentration dar. Diese sind infolge von Kapillarkräften (kapillarer Eindringdruck) im Bereich mikro- bis makroskaliger Heterogenitäten des Untergrunds, und zwar jeweils oberhalb schlechter durchlässiger Schichten, Linsen etc. anzutreffen. Bodenproben im Sanierungsbereich sind zur Einschätzung der Schadstoffverteilung im Untergrund ebenfalls eine hilfreiche Ergänzung.

Bei ausgeprägten Schichtungen des Aquifers ist - ebenfalls wie bei Anwendung des Air-sparging- Verfahrens - darauf zu achten, dass das mit Schadstoff beladene inizierte Inertgas erst in beträchtlicher Entfernung von der Injektionsstelle in die ungesättigte Zone gelangen kann. Die Anordnung und Wahl der Extraktionsbrunnen ist dahingehend anzupassen.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Zeichnungen basierend auf durchgeführten Untersuchungen im Labor und halbtechnischen Maßstab näher erläutert. Fig. 1 zeigt die Temperaturverteilung [°C] bei Injektion von Dampf. Eine unterschiedliche horizontale Ausbreitung der Wärme- (Sanierungs-) front wird infolge Variation der Reibungskräfte erzielt.

Fig. 2 zeigt als Prinzipbild die verfahrenstechnische Anwendung der Erfindung auf einen mit Schadstoffen verunreinigten Grundwasserleiter auf.

Fig. 3 zeigt die exemplarische Wärmeausbreitung in einem Grundwasserleiter anhand eines experimentellen Versuchs im technischen Maßstab (Bodenvolumen ca. 70 m³). Dargestellt sind in zeitlicher Reihenfolge die während der Injektion eines Dampf-Luft-Gemisches in den Grundwasserleiter gemessenen Temperaturen im Grundwasserleiter, dem

Grundwasserwechselbereich und der ungesättigten Zone.

Fig. 4 zeigt die während der erfindungsgemäßen Sanierung eines beispielhaft mit monocyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen kontaminierten Grundwasserleiters auftretenden Konzentration in der abgesaugten Bodenluft und verweist auf die zeitliche und verfahrenstechnische Steuerung der Dampf-Luft-Injektion.

Fig. 5 stellt die einzelnen Anlagenkomponenten zur erfindungsgemäßen Anwendung der Dampf-Luft- Injektion in Grundwasserleitern zusammen. Die Anlagentechnik umfasst sowohl die Injektionstechnik, Extraktionstechnik, sowie die Behandlung der anfallenden Stoffströme.

Fig. 1 zeigt die unterschiedliche horizontale Ausbreitung der Wärme- (Sanierungs-) front 17 infolge von variierten Reibungskräften (Injektionspunkt ist jeweils unten links) anhand von Laborversuchen: Bei konstanten Auftriebskräften wurden die Reibungskräfte gegenüber dem obersten Bild um den Faktor 10 (Mitte) und Faktor 20 (unten) erhöht. Die mit zunehmenden Reibungskräften anwachsende horizontale Ausbreitung der Wärmefront ist deutlich erkennbar. Eine Injektionsrate gemäß dem oberen Bild führt zu einer unzureichenden Erwärmung des Untergrundes bzw. erfordert eine unvertretbare Anzahl von Injektionsbrunnen.

Fig. 2 zeigt einen Bodenabschnitt, der einen Grundwasserleiter 14 und die darüber liegende ungesättigte Bodenzone 13 darstellt. Der Grundwasserspiegel 15 bewegt sich im Bereich des Grundwasserschwankungsbereiches 12. Der Grundwasserleiter ist im Kontaminationsbereich 11 entlang einer Höhe des Grundwasserschwankungsbereiches mit ungelösten organischen Schadstoffen verunreinigt. Durch Lösungsvorgänge nimmt das Grundwasser im Grundwasserwechselbereich 12 Schadstoffe auf und diese emittieren in den Abstrom der

Kontamination. Die erfindungsgemäße Injektion einer Dampf-Trägergas- schung 20 in den Grundwasserleiter über einen Injektionsbrunnen 21 führt durch die Kondensati oi n des Dampfes zur Ausbildung einer kohärenten Wärmefront 17, hinter der das inerte Trägergas m Grundwasserleiter unter Ausbildung bevorzugter Fließwege 16 nach oben steigt. Die Erhöhung der Temperatur bewirkt eine verstärkte Evaporation der Schadstoffe 11 , die mittels des Trägergases über die bevorzugten Fließwege in die ungesättigte Zone aufsteigen und über Bodenluftextraktionsbrunnen 30 abgesaugt werden können. Durch die erfindungsgemäß eingestellte Luftinjektionsrate erfolgt eine stetige Austragung von gasförmigen Schadstoffen mit erhöhten Temperaturen und die Schadstoffkonzentration in der entzogenen Bodenluft sinkt unter die dampfdruckspezifische Sättigungskonzentration der einzelnen Schadstoffe.

Fig. 3 stellt die Ergebnisse des Ausbreitungsverhaltens der Wärmefront 17 in einer erfindungsgemäßen durchgeführten großskaligen Untersuchung dar. Die Abbildung dient der beispielhaften Illustration des Patentanspruches 1 und schränkt diesen nicht durch die Untersuchungsbedingungen ein. Die Injektion des Dampf-Luft Gemisches erfolgt über den untersten verfilterten Bereich der Multilevelinjektionspegel 21 in den Grundwasserleiter 14. Die Wärmefront 17 mit Temperaturen um 96°C breitet sich rasch im Grundwasserleiter 14 aus (4h). In weiteren Verlauf (12 h) breitet sich die Wärmefront 17 lateral weiter aus und durchdringt in vertikaler Richtung den kontaminierten Bereich 11 bis hinein in die ungesättigte Zone 13. Die gasförmigen mit der injizierten Luft ausgetragenen Schadstoffe 51 werden über die Extraktionsbrunneneinheiten 30 aus der ungesättigten Zone 13 extrahiert. In Folge breitet sich die Wärmefront 17 in der ungesättigten Zone 13, dem Grundwasserschwankungsbereiches 12 und dem Grundwasserleiter 14 in Richtung der Extraktionsbrunneneinheiten 30 aus. Im Verlauf des Fortschreitens der Wärmefront 17 mit erfindungsgemäßer Erschließung des gesamten kontaminierten Bereiches 11 (48 h) werden die Schadstoffe durch die injizierte Luft vollständig als Luft-Schadstoff-Dampf Gemisch 51 ausgetragen.

Fig. 4 stellt den zeitlichen Ablauf der Konzentrationen einzelner organischer Lösemittel in der extrahierten Bodenluft für die unter Fig. 3 dargestellte Untersuchung dar. Die Darstellung erfolgt beispielgebend und schließt nicht die erfindungsgemäße Änderung der Sanierungsfahrweise nicht aus. Die Untersuchung ist mit den Stoffen Toluol, o-, m- und p-Xylol, Ethylbenzol, sowie 1 ,3,5- Trimethylbenzol durchgeführt worden. Nach Einschalten der Dampf-Luft Injektion steigen die Konzentrationen der einzelnen Stoffe in der abgesaugten Bodenluft rasch auf Konzentration geringer der maximalen Sättigungskonzentration der einzelnen Stoffe an. Im weiteren Verlauf (2 - 12 h) steigen die Konzentrationen erfindungsgemäß leicht an bis zum Durchbruch der Wärmefront 17 an den Extraktionsbrunneneinheiten 30 (14 h). Erfindungsgemäß werden die Schadstoffe in diesem Zeitraum verstärkt ausgetragen, da stetig Luft durch den kontaminierten Bereich 11 strömt. Mit dem Erreichen des Kontaminationsbereichs 11 durch die stetig expandierende kohärente Wärmefront 17 wird der Stoffübergang der Schadstoffe erhöht und das derart beladene Trägergas wird zu den Extraktionsbrunnen 30 abtransportiert. Mit dem Durchbruch der Wärmefront 17 an den Extraktionsbrunneneinheiten 30 nach 14 h steigen die Konzentrationen der einzelnen Stoffe in der extrahierten Bodenluft 51 signifikant zu einem Maximum an. Die mittelsiedenden Schadstoffe, Xylol- Isomeren und Ethylbenzol werden entsprechend des hohen Dampfdruckes rasch entfernt (30 h). Die Extraktion des hochsiedenden Trimethylbenzols kann erfindungsgemäß nach Sicherstellung der Kondensationsvermeidung durch Erhöhung des Dampfanteils in der injizierten Dampf-Luft Mischung 20 verstärkt ausgetragen werden (34 h). Die Entfernung der Kontamination ist nach Erreichen des Sanierungszielwertes in der extrahierten Bodenluft (48 h) abgeschlossen. Abschließende chemische Analysen von Bodenproben bestätigen die vollständige Reinigung des Untergrunds.

Fig. 5 stellt die verfahrenstechnische Umsetzung der erfindungsgemäßen Injektion eines Dampf-Luft Gemisches 20 in den Grundwasserleiter 14, sowie die erfindungsgemäße Extraktion des Luft- Schadstoff-Dampf Gemisches 51 und die Behandlung der anfallenden Massenströme dar. Die Darstellung erfolgt beispielgebend und schließt nicht die Änderungen einzelner Anlagenelemente, deren Funktion und Größe aus. In einem Dampferzeuger 22 wird Sattdampf erzeugt und dieser mit der durch einen Drucklufterzeuger 23, vorzugsweise einem Schraubenspindelkompressor erzeugten Druckluft in einem Zwangsmischer 24 in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung gemischt. In der Regel fällt kein Kondensat während des Mischvorganges an, dieses könnte jedoch durch den Kondensatabscheider 25 abgeleitet werden. Das erfindungsgemäß hergestellte Dampf-Luft Gemisch

20 wird über isolierte druck- und temperaturbeständige Rohrleitungen zum Multilevelinjektionsbrunnen

21 geleitet. Dort kann die Dampf-Luftmenge über einzelne Ventile in verschiedene, durch die Geologie, die Schadstoffverteilung am Standort oder die erfindungsgemäße Maximierung der Injektionsrate bestimmte Injektionstiefen eingeleitet werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies ausschließlich in den Grundwasserleiter 14. Die Extraktion des entsprechend Fig. 2 bis Fig. 4 anfallenden Luft-Schadstoff-Dampf Gemisches 51 erfolgt über ein mittels einem Verdichter 50 erzeugten Vakuum anliegend an der Extraktionsbrunneneinheit 30. Das entnommene Luft-Schadstoff- Dampf Gemisch 51 aus den einzelnen Brunneneinheiten wird über isolierte Rohrleitungen geleitet, zentral gesammelt und gelangt in einen Kondensator 52. Das heiße Luft-Schadstoff-Dampf Gemisch wird mittels Kühlwasser abgekühlt und das anfallende flüssige Kondensat in einem Kondensatabscheider 53 von der Gasphase getrennt. Das Kondensat fließt in einen Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider 54. Im Abscheider wird der wasserunlösliche Schadstoff 55 von dem wässrigen Kondensat getrennt. Das wässrige Kondensat wird in einem Lagerbehälter 34 gesammelt und der Wasserreinigungsanlage 40 zugeführt. Die kontaminierte gekühlte Bodenluft wird aus dem Kondensatabscheider 53 durch den Verdichter 50 abgefördert. Zur Einstellung des Förderverhaltens des Verdichters und der Vermeidung von explosiven Luft-Schadstoff Gemischen kann vor dem Verdichter 50 Frischluft zugeführt werden. Der Verdichter fördert das Luft-Schadstoff Gemisch über einen Kondensat- oder Tröpfchenabscheider 57 in die Abluftreinigungsstufe 58. Das anfallende Abwasser aus dem Kondensatabscheider 57 wird gesammelt 34 und der Wasserreinigungsanlage 40 zugeführt. Parallel zur Bodenluftextraktion wird über eine Tauchpumpe 31 Grundwasser aus dem Grundwasserleiter gefördert und über einen Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider 32 etwaig anfallender wasserunlöslicher Schadstoff 33 vom Abwasser mit gelöstem Schadstoff 34 getrennt. Das Abwasser mit gelöstem Schadstoff wird über die Wasserreinigungsanlage geleitet und in gegebenem Beispiel mittels Aktivkohlesorption 40 gereinigt.

Literatur:

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Schmidt, R., C. Betz, A. Färber, 1998: LNAPL and DNAPL behaviour during steam injection into the unsaturated zone, Proc. GQ'98 Conference Tübingen, Sept. 1998, IAHS Publ. No. 250 (111-117)

Schmidt, R., Färber, A., Betz, C, Koschitzky, H.-P., 2000: Dampfinjektion zur In-situ-Sanierung der ungesättigten Bodenzone, Handbuch der Altlastensanierung 23, C.F. Müller Verlag

Schmidt, R., 2000: Wasserdampf- und Heißluftinjektion zur thermischen Sanierung kontaminierter Standorte, Dissertation, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart, Eigenverlag, ISBN 3-933761-09- 3

Bezugszeichenliste

Bodenabschnitte:

11 Kontaminierter Bereich

12 Grundwasserschwankungsbereich

13 Ungesättigte Zone

14 Gesättigte Zone

15 Grundwasserspiegel

16 Inertgasdurchströmte Zone

17 Wärmefront

Baugruppe Injektionstechnik:

20 Dampf-Inertgas-Gemisch

21 Multilevelinjektionspegel

22 Dampferzeuger

23 Inertgaskompressor (Schraubenspindelkompressor)

24 Gasmischeinheit

25 Kondensatabscheider

Baugruppe Flüssigphasenextraktionstechnik

30 Extraktionsbrunneneinheit

31 Tauchpumpe

32 Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider

33 Wasserunlöslicher Schadstoff (LNAPL, DNAPL)

34 Abwasser mit gelöstem Schadstoff

Baugruppe Wasserreinigungstechnik

40 Wasserreinigungsanlage (Sorptionseinheit)

41 Gereinigtes Abwasser

Baugruppe Gasphasenextraktionstechnik

50 Verdichter

51 Luft-Inertgas-Schadstoff-Dampf Gemisch

52 Kondensator

53 Kondensatabscheider

54 Leichtstoff-, Schwerstoffabscheider

55 Wasserunlöslicher Schadstoff (LNAPL, DNAPL)

56 Kondensat mit gelöstem Schadstoff

57 Kondensat-.Tröpfchenabscheider

58 Abluftreinigungsstufe

Claims

Patentanspruch:

1. Verfahren zur thermischen In-situ Reinigung von mit flüchtigen bis schwerer flüchtigen Substanzen verunreinigtem Untergrund im Grundwasser- und Grundwasserschwankungsbereich, bei dem ein Trägergas-Wasserdampf-Gemisch über Injektionsvorrichtungen in den Grundwasserleiter eingebracht wird und ein gasförmiges Gemisch aus Trägergas-Bodenluft-Schadstoff-Wasserdampf unter Anlegen eines Unterdruckes über Extraktionsvorrichtungen abgesaugt wird, und die Akkumulation der Schadstoffe, die in bzw. hinter der sich im Untergrund ausbildenden Wärmefront auskondensieren, durch Zumischung eines hinreichend hohen Trägergasanteils in den Injektionsstrom und durch eine geeignete Betriebsweise verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei für nichtwässrige Schadstoffe, deren Dichte kleiner als Wasser ist, folgende Maßgabe gilt: Der Trägergasanteil kann in beliebigen Molanteilen zugemischt werden, solange er hinreichend groß ist (Größenordnung für den Molenanteil des Trägergases X_TG mindestens ca. 1 %).

3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei für nichtwässrige Schadstoffe, deren Dichte größer als Wasser ist, folgende Maßgabe gilt: Der Trägergasanteil muss zunächst in sehr hohen Molanteilen zugemischt werden, um einen hinreichenden Abtransport der Schadstoffe über das Trägergas sicherzustellen (Größenordnung X_TG ca. 95% bis mindestens 50% ).

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei der Mindestanteil des Trägergases im Injektionsstrom unter Zuhilfenahme einer möglichst kontinuierlichen Schadstoffkonzentrationsmessung an den Extraktionsvorrichtungen festzulegen ist. Hierbei ist durch einen hinreichend hohen Trägergasanteil eine Absaugkonzentration deutlich unter dem bei der Extraktionsgastemperatur herrschenden Sättigungsdampfdruck der Schadstoffe sicherzustellen. Mit dem Absinken der Konzentrationen nach einer gewissen Betriebszeit ist der Trägergasanteil sukzessive kontinuierlich oder in Stufen zu reduzieren, während der gesamt injizierte Massenstrom der Mischung durch simultane Erhöhung des Dampfmassenstroms in etwa konstant zu halten ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei zur Maximierung des pro Injektionsvorrichtung reinigbaren Bodenvolumens in der gesättigten Zone stets eine Maximierung des injizierten Massenstroms anzustreben ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei zur Einschätzung der lokalen Schadstoffsituation und zur Ermittlung der extrahierbaren Schadstoffkonzentrationen für jede Injektionsvorrichtung zunächst eine Trägergasinjektion mit sehr geringem Dampfanteil (Xw_asse. = 1 bis 2%) erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei als Trägergas Luft oder ein beliebiges Inertgas zum Einsatz kommt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, wobei das injizierte Trägergas-Wasserdampf-Gemisch gesättigter, ungesättigter oder auch übersättigter Art sein kann.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, wobei das injizierte Trägergas-Wasserdampf-Gemisch im Temperaturbereich zwischen 30°C bis maximal zur dem jeweiligen Injektionsdruck entsprechenden Sattdampftemperatur erhitzt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, wobei Injektions- und Extraktionsvorrichtungen beliebiger Bauart zum Einsatz kommen (z.B. Injektions- und Extraktionsbrunnen, Extraktionsglocken etc.).

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, wobei Injektions- und Extraktionsvorrichtung in einem Bauteil kombiniert sein kann (Kombinationsbrunnen).

12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11 , wobei die Injektions- und Extraktionsvorrichtung in flexiblen oder fest eingestellten Höhenabschnitten betrieben werden kann („Multilevel"- Brunnen).

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, wobei mikrobiologische Abbauprozesse von Schadstoffen im verunreinigten Bereich während oder nach dem Vorgang des Wärmeeinbringens gemäß Anspruch 1 durch die Wärme gezielt oder ungezielt stimuliert werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mikrobiologischen Abbauprozesse durch Zusatz von beliebigen Nähr- und Hilfsstoffen unterstützt werden.