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Dokumentenidentifikation DE4213666A1 10.09.1992
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein sowie deren Verwendung
Anmelder Gesellschaft für Umwelt- und Wirtschaftsgeologie mbH Berlin, O-1040 Berlin, DE
Erfinder Engelmann, Frank, Dipl.-Geol., O-1040 Berlin, DE;
Voigt, Hans Jürgen, Dr.sc., O-1055 Berlin, DE;
Remus, Wolfgang, Dipl.-Geol., O-1080 Berlin, DE
Vertreter Pobel, D., Dipl.-Chem., Pat.-Anw., O-1020 Berlin
DE-Anmeldedatum 22.04.1992
DE-Aktenzeichen 4213666
Offenlegungstag 10.09.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.09.1992
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 1/02   G01N 27/04   G01N 15/08   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die geeignet ist, eine Erkundung und Bewertung von Altlasten durch Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen in einer wassergesättigten Zone von Erdböden vorzunehmen.
Bekannte Verfahren berücksichtigen unzureichend die komplexen Wechselwirkungsprozesse im Mehrphasensystem Grundwasser - Lockergestein - Gas - Schadstoff.
Die Erfindung ist dazu geeignet, umfassende Aussagen zu Speicher-, Abbau- und Umwandlungsprozessen zu liefern. Die Meßergebnisse zeichnen sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit aus.
Zur Durchführung des Verfahrens sind in vorgegebener Reihenfolge zu bestimmen: Korngrößenverteilung, Feuchtigkeitsgehalt, Gesamtporosität, Durchlässigkeitsbeiwert, zeitlicher Verlauf der Einstellung des Gleichgewichtes bei verschiedenen Stoff-Konzentrationen.
Die zugehörige, in vertikaler Richtung um 180° drehbare Vorrichtung besteht aus einer Probezelle (1) sowie beidseitig angeordneten Filtern (3) und Vorratsbehältern (4), einer Gasaustauschröhre (5) sowie gegebenenfalls einer Leitfähigkeitselektrode (6). In der Probezelle (1) befindet sich die zu untersuchende Erdstoff-Probe (2).
Das Verfahren und die Vorrichtung ist sowohl für die Untersuchung als auch für Simulationsprozesse zu verwenden.

Beschreibung[de]

Gegenstand der Erfindung ist die Erkundung und Bewertung von Altlasten durch Untersuchung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen in einer wassergesättigten Zone von Erdböden.

Für die Erkundung und Bewertung von Altlasten kommen heute überwiegend traditionelle, praxisbewährte Verfahren und Methoden zum Einsatz. Die Ermittlung und Analyse des Istzustandes einer Kontamination erfolgt mit Hilfe von Bohr- und Sondierarbeiten, durch Einsatz der Fernerkundung, durch Sediment-, Wasser- und Bodenluft- Probenahme sowie anschließender Analyse. Im Ergebnis dieser Untersuchungen liegt das räumliche Ausmaß und die Intensität der Änderung des geochemischen Ausgangszustandes vor. Neben der Kenntnis zur räumlichen Verteilung von Schadstoffen ist es wichtig, ihr zeitliches Ausbreitungsvermögen zu untersuchen.

Der Anwendung numerischer Meßverfahren sind jedoch Grenzen gesetzt, die vorrangig darauf beruhen, daß die notwendigen Informationen zu den komplexen Wechselwirkungsprozessen im Mehrphasensystem Grundwasser - Lockergestein - Gas - Schadstoff fehlen.

Der Komplexcharakter dieser Wechselwirkungsprozesse ist auch die Ursache dafür, daß nur völlig unzureichend allgemeingültige Gesetzmäßigkeiten zum Migrationsverhalten vieler Schadstoffe abgeleitet werden können, so daß die Forderung nach spezifischen Migrationsuntersuchungen immer aktueller wird.

Eine breite Anwendung haben die bisher bekannten Verfahren bis zum heutigen Zeitpunkt nicht gefunden. Bei verstärktem Einsatz von Migrationsbestimmungen zur umfassenderen Bewertung von Altlasten ist es unbedingt erforderlich, die standortspezifischen Verhältnisse zu beachten. Hierbei geht es um die Klärung der inneren und äußeren Faktoren einer Kontamination. Andererseits müssen Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet werden. Hierfür fehlen jedoch bis heute entsprechende Verfahren zur einheitlichen Bestimmung des Migrationsverhaltens.

Zur Klärung problemspezifischer Fragen existieren vielfältige Vorrichtungen, welche unterschiedliche Konstruktionen aufweisen und dadurch bedingt auf verschiedene Prinzipien beruhen. Verwiesen sei nur auf die Vielzahl von Batch-Anlagen nach dynamischen oder statistischen Konzepten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur einheitlichen Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein vorzuschlagen und damit die aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.

Erfindungsgemäß wird das Problem mit den im Kennzeichenteil der Patentansprüche offenbarten Mitteln gelöst.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung besteht in der universellen Verwendung zur Untersuchung von Speicher-, Abbau- und Umwandlungsprozessen, mit deren Hilfe Sorptionsisotherme, Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten sowie unter Beachtung der erhöhten Dynamik Retardationsfaktoren bestimmt werden können.

Auch zeichnet sich die Vorrichtung durch einen einfachen Aufbau aus, wodurch gerätespezifische Meßwertbeeinflussungen gering gehalten werden. Da diese Vorrichtung weit über die klassische Batch-Anlage hinausgeht, ist es möglich, Großsäulen-Experimente durch Vorversuche zu planen. Hierbei kann z. B. das Auswaschungsverhalten von Sedimenten unter definierten Bedingungen untersucht werden.

Der spezifische Aufbau der Vorrichtung ermöglicht es, Bindungsformanalysen für konkrete Schadstoffe am Sediment durchzuführen.

Die Kationenaustausch-Kapazität kann unter den Bedingungen bestimmt werden, unter denen auch anschließende Untersuchungen zur Adsorption- und Desorption-Simulation erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend näher erläutert werden. Es zeigen in den Figuren

Fig. 1 die Vorrichtung,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Fließverhaltens vom Druckgradienten für einen feinsandigen Mittelsand.

Die Vorrichtung besteht aus einem Probehalter mit einer Probezelle 1, in der sich die Erdstoff-Probe 2 befindet. Die Menge des zu untersuchenden Lockergesteines beträgt ca. 22 g.

An beiden Enden der Probezelle 1 befinden sich Filter 3 mit einer vorher zu ermittelnden Maschenweite. Weiterhin sind beidseitig in vertikaler Anordnung Flüssigkeitsvorratsbehälter 4 mit der Probezelle 1 verbunden. Beide Vorratsbehälter 4 stehen über eine Gasaustauschröhre 5 in Kontakt zueinander. Im Falle der Messung der Leitfähigkeit bei wäßrigen Flüssigkeiten mit ionischen Schadstoffen befindet sich in einem der Vorratsbehälter 4 eine Leitfähigkeitselektrode 6 Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einem Wenderahmen, vorzugsweise befinden sich 10 derartige Vorrichtungen in einem elektronisch gesteuerten Rahmen.

Nach Durchlauf der Flüssigkeit aus dem oberen Vorratsbehälter 4 In den unteren erfolgt eine vertikale Drehung um 180°. Das Funktionsprinzip beruht folglich auf der freien gravitativen Durchströmung der Erdstoff-Probe 2 aus dem oberen in den unteren Vorratsbehälter 4. Es liegt somit ein instationäres Fließregime vor, das durch eine Gasaustauschröhre 5, welche ein geschlossenes System garantiert, realisiert wird.

Um Randströmungen in der Probezelle 1 zu minimieren, ist deren Innenfläche aufgerauht bzw. mit ringförmigen Vertiefungen versehen.

Durch die Verwendung von Filtern 3 mit definierter Maschenweite erfolgt zusätzlich eine geringe Verdichtung der Erdstoff-Probe 2 im Kontaktbereich zur Probezelle 1 in einer Aufsättigungsvorrichtung, die hier nicht näher dargestellt ist, wird in die trocken eingebaute Erdstoffprobe 2 von unten Flüssigkeit eingestaut. Unverdichtete Proben werden während der Aufsättigung im Gegensatz zur vorbehandelten zuerst im Randbereich feucht, was als erster Hinweis auf Randströmungen gewertet werden kann.

Durch das wechselseitige Durchströmen treten in der Erdstoffprobe 2 keine hydraulischen Verdichtungen durch Verstopfung kleiner Poren auf.

Die Leitfähigkeitselektrode 6 dient der Kontrolle der Einstellung des chemischen Gleichgewichtes zwischen fester und flüssiger Phase. Bei Verwendung von organischen Lösungsmitteln und Schadstoffen erfolgt die zeitliche Verfolgung der Gleichgewichtseinstellung durch entsprechende Analysen. Neben der Einstellzeit des chemischen Gleichgewichtes ist es wichtig, die Anzahl der wechselseitigen Probendurchläufe zu bestimmen. Diese sind abhängig vom Durchlässigkeitsbeiwert kf der Erdstoff-Probe sowie vom Druckgradienten I.

Die Dauer eines Probendurchlaufes hängt jedoch auch sehr stark von der Auswahl der Maschenweite der Filter 3 ab. Diese ist so auszuwählen, daß Staueffekte auch bei kleinen Druckgradienten, also bei geringem Flüssigkeitsstand über der Probe, nicht auftreten können. Bei zu großer Maschenweite kann es zum Ausschwemmen von Partikeln aus der Probe kommen. Dies erfordert eine Optimierung der Maschenweite. Hierzu wird separat bei unterschiedlichen Druckgradienten die zugehörige Fließgeschwindigkeit ermittelt. Zwischen beiden Größen besteht eine direkte Proportionalität. In Fig. 2 zeigt die Kurve K1 einen idealen Verlauf. Bei Einfluß von Filterstaueffekten tritt bei kleinen Gradienten eine Abweichung auf. Häufig wird bei zu feinen Filtern und kleinem Gradient kein Fließgeschehen (Kurve K2) festgestellt. Die Folge ist, daß während der Untersuchung Flüssigkeitsreste im oberen Vorratsbehälter verbleiben, die Durchströmung also unvollständig ist. In derartigen Fällen ist ein Wechsel des Filters zwingend erforderlich.

Die Kurve K3 zeigt die Abhängigkeit nach einer Optimierung der Maschenweite. Deutlich ist zu erkennen, daß das Fließgeschehen in einer sehr großen Annäherung dem DARCY- Gesetz folgt. Der Anstieg der Geraden, welcher gleichzeitig den Durchlässigkeitsbeiwert kf der Erdstoff-Probe darstellt, nähert sich der idealen Geraden.

Die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Bestimmung des Migrationsverhaltens sind im Kennzeichenteil des 1. Anspruches beschrieben.

Zur Bestimmung des Verteilungskoeffizienten für eine Sorptionsuntersuchung wird auf die in der Probezelle eingebaute Erdstoff-Probe eine Lösung mit definierter Schadstoff-Konzentration gegeben. Eine Leitfähigkeitselektrode verfolgt die zeitabhängige Einstellung des Schadstoff- Gleichgewichtes zwischen fester und flüssiger Phase. Danach erfolgt die Messung mit einer weiteren Probe und mit einer Lösung, die eine andere Schadstoff-Konzentration aufweist. In der nachfolgenden Tabelle ist am Beispiel von K&spplus;-Ionen die unterschiedliche Einstellzeit des Gleichgewichtes in Abhängigkeit von der Lösungskonzentration dargestellt.



Alle Gleichgewichtskonzentrationen wurden für 10 Stunden ermittelt.

Um Abhängigkeiten der Schadstoff-Adsorption bzw. -Desorption ermitteln zu können, ist es erforderlich, Messungen bei unterschiedlichen Lösungskonzentrationen durchzuführen. Um vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, werden die petrophysikalischen Parameter Gesamtporosität, Durchlässigkeitsbeiwert und Einbaufeuchte während der Vorbereitung und bei der Auswertung für folgende Aufgaben genutzt:

  • 1. Sie sind Grundlage zur Einschätzung der dynamischen Randbedingungen und damit Voraussetzung für die Vergleichbarkeit der 10 Proben.
  • 2. Als Orientierungsparameter zur Planung von Großsäulen- Versuche stellen sie Vergleichsparameter zu an anderen Vorrichtungen bestimmte petrophysikalische Werte dar.
  • 3. Mit Hilfe der ermittelten Kenngrößen ist es möglich, das Sorptionsverhalten unterschiedlicher Migranten auf einer fundierten dynamischen Grundlage zu beurteilen.


Aus der Reihenfolge der Verfahrensdurchführung erkennt man, daß die Erdstoff-Probe nach Ermittlung ihres ursprünglichen Feuchtegehaltes (Einbaufeuchte) aufgesättigt wird. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus folgender Tatsache: Untersuchungen für die wassergesättigte Zone eines Grundwasserleiters erfordern auch bei Laboruntersuchungen naturnahe Versuchsbedingungen. Die Entnahme der Lockergestein-Probe aus dem Bohrloch bewirkt, daß gravitativ ein Teil des Grundwassers, besonders jedoch aus den hydraulisch sehr wirksamen Grobporen, abfließt. Der dadurch bedingte Wasserverlust ist vor Beginn der Sorptionsuntersuchungen auszugleichen.

Zur Probenaufsättigung ist grundsätzlich Grundwasser zu verwenden, das nach Möglichkeit aus der Teufe gewonnen wird, aus welcher auch die Gesteinsprobe entnommen wurde.

Die Aufsättigung der Probe bietet zudem die Möglichkeit, neben der Ermittlung der Gesamtporosität, auch eine Verdrängung von Luft aus der Probe vorzunehmen.

Im Ergebnis der Probenaufsättigung und deren Verdichtung bei zu großer Porosität liegen für alle zu untersuchenden Erdstoff- Proben gleiche hydrodynamische und hydrogeochemische Randbedingungen vor. Dadurch wird gewährleistet, daß alle Proben gleichschnell durchlaufen werden.

Bei Verwendung von trockenen Proben ist dies nicht gewährleistet. Während des Infiltrationsvorganges kommt es beim ersten Kontakt der trockenen Probe mit dem Grundwasser zur Ausbildung von bevorzugten Sickerbahnen, wobei bis zu 20% der Probe ungesättigt bleiben können. Unkontrollierbare Lufteinschlüsse sind die Ursache dafür, daß es zu großen Schwankungen bei den Durchlaufzelten kommt.

Da Porositätsmessungen auch Ungenauigkeiten aufweisen, wird für jede Probe der Durchlässigkeitsbeiwert ermittelt. Von entscheidender Bedeutung für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist die Auswahl des Wasser - Feststoff - Verhältnisses (WFV), vorteilhafterweise sind Werte von 2 bis 3 : 1 anzustreben. Bei Verwendung von organischen Lösungsmitteln ist sinngemäß zu verfahren. Auch ist es für objektive Meßergebnisse erforderlich, die Vorrichtung in einem dunklen, temperierten Raum zu stationieren.

Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglicht es, das Migrationsverhalten im System Schadstoff - Lockergestein - Grundwasserleiter auch unter Berücksichtigung der bekannten Wechselwirkungen zu untersuchen. Auch eignet sich das Verfahren mit der zugehörigen Vorrichtung dazu, im Rahmen von Simulationsversuchen hochaktuelle Fragen zum Transport von Schadstoffen und damit zur räumlich - zeitlichen Prognose zu beantworten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung des Migrationsverhaltens von Schadstoffen im Lockergestein gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte,
    1. - Ermittlung der Korngrößenverteilung,
    2. - Bestimmung der Einbaufeuchte,
    3. - Aufsättigung der Erdstoff-Probe und Ermittlung der Gesamtporosität,
    4. - Ermittlung der optimalen Siebmaschenweite der Filter,
    5. - Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwertes unter stationären Fließverhältnissen,
    6. - Ermittlung des zeitlichen Verlaufes der Einstellung des chemischen Gleichgewichtes bei verschiedenen Migrantenkonzentrationen, vorzugsweise durch Leitfähigkeitsmessung und bei einem Wasser - Feststoff - Verhältnisses von 2 bis 3 : 1,
    7. - Isothermen-Ermittlung mit finaler Gleichgewichts- Konzentration unter Berücksichtigung der Einbaufeuchte und des Wasser - Feststoff - Verhältnisses.
  2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in vertikaler Richtung um 180° drehbare Vorrichtung aus einer eine Erdstoff-Probe (2) aufnehmenden Probezelle (1) mit beidseitig angeordneten Filtern (3) und Vorratsbehältern (4), einer Gasaustauschröhre (5) sowie gegebenenfalls einer Leitfähigkeitselektrode (6) besteht.
  3. 3. Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 2 zur Untersuchung sowie zur Simulation von Speicher-, Abbau- und Umwandlungsprozessen im System Grundwasser - Lockergestein - Gas - Schadstoff.






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