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Dokumentenidentifikation DE10058904C2 24.10.2002
Titel Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen
Anmelder UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, 04318 Leipzig, DE
Erfinder Schubert, Michael, 04275 Leipzig, DE;
Schulz, Hartmut, 01277 Dresden, DE;
Schubert, Heinz, 04318 Leipzig, DE;
Klug, Hans Peter, 04315 Leipzig, DE;
Rothe, Steffen, 01465 Langebrück, DE;
Freyer, Klaus, 04288 Leipzig, DE;
Treudler, Hans Christian, 04683 Naunhof, DE;
Weiß, Holger, 04451 Panitzsch, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 21.11.2000
DE-Aktenzeichen 10058904
Offenlegungstag 27.06.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.10.2002
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01V 5/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen (NAPLs), anhand einer Bestimmung der Radonkonzentration (222Rn) der Bodenluft in der grundwasserungesättigten Bodenzone.

Ein bekanntes weitverbreitetes Problem bei der Einschätzung alter Industriestandorte hinsichtlich des von ihnen ausgehenden Gefährdungspotentials sind Untergrundkontaminationen durch organische Flüssigphasen, so genannte "Non-Aqueous Phase-Liquids" (NAPLs), wie z. B. Kraftstoffe oder Öle (Mineralölkohlenwasserstoffe). Zur Erkundung von Untergrundverunreinigungen durch NAPLs werden herkömmlicherweise Sondierungen abgeteuft (Rammkernsondierungen). Diese werden möglichst in Bereiche bekannter Kontaminationsherde bzw. potentieller Kontaminationsfahnen positioniert. Aufgrund der häufig unzureichenden Anzahl solcher punktuellen Probenahmeprodukte kann die Ausdehnung von NAPL-Kontaminationen allerdings oft nur unzureichend genau eingegrenzt werden. Das hat unter Umständen Fehlentscheidungen bei der Sanierungsplanung und damit einen erhöhten Sanierungsaufwand zur Folge.

Aus DE 199 07 461 C1 ist eine Messeinrichtung zur Untersuchung des Migrationsverhalten von Gasen in Böden bekannt, mit welcher Bodengasmigrationsprozesse kleinräumig simuliert werden können und so auch der Einfluß von NAPLS untersucht werden kann.

Des weiteren ist u. a. aus DE 43 10 096 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Radongehaltes im Bodengas bekannt, wobei dem zu untersuchenden Standort Bodenluft entnommen und die Radonkonzentration gemessen wird.

Zusammenhänge zwischen dem Radongehalt der Bodenluft und Kohlenwasserstoffvorkommen im Untergrund (Erdöl, Erdgas) wurden erstmals in der ersten Hälfte des 20. Jh. als mögliches Hilfsmittel für die Kohlenwasserstoffprospektion (Lagerstättenerkundung) untersucht. Seit dem werden so genannte "Radiation Halos" bei der Erdöl- und Erdgassuche erfolgreich eingesetzt. Im Jahr 1973 wurde durch Armstrong und Heemstra eine Besprechung der bis dahin zu dem Thema publizierten Daten vorgelegt (Armstrong, F. E. und Heemstra, R. J. (1973) Radiation Halos and Hydrocarbon Reservoirs: A Review. Information Circular 8579, US Department of the Interior, Bureau of Mines). Die zusammenfassende Arbeit macht deutlich, dass die Ursachen des zweifelsfrei vorhandenen Zusammenhangs zwischen dem Radongehalt der Bodenluft und Kohlenwasserstoffvorkommen im Untergrund sowohl quantitativ als auch qualitativ sehr kontrovers diskutiert werden. Generell wird jedoch bei Vorhandensein einer Kohlenwasserstofflagerstätte von einem lokalen Maximum des Radongehalts der Bodenluft oberhalb bzw. im Umfeld dieser Lagerstätte ausgegangen.

Da die so genannten Radiation Halos, die bei der Kohlenwasserstoffprospektion als Indikatoren verwendet werden, nicht allein die Kohlenwasserstoffe im Untergrund als solche, sondern die gesamte Kohlenwasserstoff- Lagerstätte als komplexe geologische Struktur zur Ursache haben, ist der bei der Kohlenwasserstoffprospektion genutzte Effekt nicht unmodifiziert auf kleinräumige NAPL- Kontaminationen anwendbar. Von vereinzelten Firmen als Stand der Technik angebotene so genannte "Radon Surveys" zur Lokalisierung von NAPL-Kontaminationen in der grundwasserungestättigten Bodenzone, die sich dieses Zusammenhangs unmodifiziert bedienen und somit erhöhte Radongehalte der Bodenluft mit NAPL-Kontaminationen in Zusammenhang stellen, entbehren der wissenschaftlichen Grundlage und führen grundsätzlich zu falschen Ergebnissen.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, eine effiziente Methode zum Nachweis von NAPL-Kontaminationen in der grundwasserungesättigten Bodenzone zu entwickeln, welche den Radongehalt der Bodenluft als Indikator nutzt, die darüber hinaus kostengünstig ist und reproduzierbare Ergebnisse liefert sowie eine Lokalisierung und halbquantitative Bewertung solcher Kontaminationen ermöglicht.

Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das in der Bodenluft natürlich vorhandene radioaktive Edelgas Radon (222Rn) eine sehr gute Löslichkeit in den meisten NAPLs zeigt. Bei einer Temperatur um 20°C wird im Falle eines Konzentrationsgleichgewichts in einer NAPL im allgemeinen eine etwa zwölf mal höhere Konzentration angetroffen als in der mit der NAPL im Kontakt stehenden Luft. Deshalb ziehen Bodenkontaminationen durch NAPLs grundsätzlich eine Änderung des Radongehalts der Bodenluft in der Umgebung dieser Kontamination nach sich.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, der beschreibt, dass sich oberhalb bzw. im Umfeld einer Kohlenwasserstoffstätte ein lokales Radon-Maximum der Bodenluft einstellt, wurden im Falle von NAPL (Kohlenwasserstoff)-Kontaminationen in der grundwasserungesättigten Bodenluft in der Regel verringerte Radonkonzentrationen der Bodenluft festgestellt. Das gilt insbesondere für Schadensfälle mit schwerer flüchtigen Komponenten und für ältere Schadensfälle. Die NAPLs agieren hierbei als Radonsenke, indem sie der Bodenluft Radon entziehen ("Akkumulations Effekt").

Erfindungsgemäß wird eine signifikante lokale Verringerung der Radonkonzentration der Bodenluft als Indikator für eine NAPL-Kontamination (Kohlenstoff-Kontamination) der grundwasserungesättigten Bodenzone herangezogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen (NAPLs) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Radonkonzentration (222Rn) der Bodenluft in der grundwasserungesättigten Bodenzone bestimmt und mit dem normalen Radongehalt der Bodenluft des unkontaminierten Bodens, d. h. dem "geogenem Background" verglichen wird. Anhand einer lokalen Verringerung des Radongehaltes werden die Kontaminationen nachgewiesen, wobei während der Bodenluftentnahme ein Zutritt von Fremdluft ausgeschlossen werden muss. Auch müssen das angesaugte Bodenluftvolumen und die Probenahmetiefe während der Messkampagne unbedingt konstant gehalten werden.

Die Bestimmung der Radonkonzentrationen erfolgt dabei nach an sich bekannten Messtechniken unter Anwendung dem Fachmann bekannter Sonden und Messgeräten für Radon.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, NAPL-Kontaminationen der grundwasserungesättigten Bodenzone mit Hilfe der Bestimmung des Radongehalts der Bodenluft zu lokalisieren. Das Verfahren ist messtechnisch einfach realisierbar und erlaubt eine unmittelbare Interpretation der gewonnenen Daten.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung verläuft das Verfahren zur Gewährleistung eines optimalen Verfahrensablaufs, bei gleichzeitiger repräsentativer Bodenluftprobenahme wie folgt:

  • 1. Die Bodenluftprobenahme wird während einer Messkampagne aus einer konstanten und exakt nachvollziehbaren Tiefe vorgenommen. Dabei wird ein Zutritt von Fremdluft über die in den Boden einzubringende Bodenluftsonde ausgeschlossen. Die mögliche Beeinflussung des Radongehalts der Bodenluft durch tageszyklisch schwankende meteorologische Parameter erfordern eine gewisse Mindesttiefe für die Entnahme der Bodenluftprobe. Zur Optimierung des Messablaufes ist gleichzeitig eine möglichst geringe Probenahmetiefe zu wählen. Eine Probenahmetiefe von 50-70 cm hat sich im Zuge der durchgeführten Arbeiten als optimal erwiesen.
  • 2. Das abgepumpte Bodenvolumen wird während einer Messkampagne konstant gehalten. Für das vollständige Füllen der Messkammer des verwendeten Radonmonitors mit frischer Bodenluft ist ein Mindestvolumen an Bodenluft erforderlich. Gleichzeitig sollte jedoch das abgesaugte Bodenvolumen so gering wie möglich gehalten werden, um den Zutritt von Fremdluft auszuschließen und eine exakt nachvollziehbare Probenahmetiefe zu gewährleisten. Das abgepumpte Bodenvolumen hängt somit letztlich vom Volumen der verwendeten Meßkammer ab. Als optimal hat sich in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung die Messung mit 11 Bodenluft erwiesen.
  • 3. Darüber hinaus wird die Gaspermeabilität des Bodens mit Hilfe der für das Abpumpen der Bodenluftprobe benötigten Zeitspanne halbquantitativ bestimmt.
  • 4. Ebenfalls erfolgt eine zeitparallele Aufnahme der meteorologischen Parameter Temperatur und Luftdruck und
  • 5. die vorhandene Bodenfeuchte wird als weiterer Verfahrensparameter an jedem Probenahmepunkt ermittelt.

Die unter den Punkten 3. bis 5. genannten Bestimmungen ermöglichen ggf. spätere Korrekturen der Radon-Messwerte.

Da die erfindungsgemäßen Radonmessungen vergleichsweise unkompliziert, wenig zeitaufwendig und sehr präzise durchführbar sind, lässt das vorliegende Verfahren eine deutlich höhere Messpunktzahl als die konventionelle Erkundung von NAPL-Kontaminationen durch Rammkernsondierungen zu. Damit ist eine wesentlich präzisere Eingrenzung von NAPL-Kontaminationen möglich. Außerdem können Rammkernsondierungen und Grundwasser-Messstellen nachfolgend zur Radonkartierung zielgerichteter positioniert und somit in ihrer Anzahl deutlich verringert werden. Zudem baut das Messverfahren auf einer wissenschaftlich fundierten Basis auf.

Es wird eine wesentliche Verbesserung des Standes der Technik erreicht, denn das Verfahren ist sowohl für die Lokalisierung von NAPL-Kontaminationen, als auch für ein Monitoring von Sanierungsaufnahmen anwendbar. In dieser weiteren Ausführungsvariante der Erfindung wird die Bestimmung der Radonkonzentration zur Verfolgung des Rückgangs der Kontaminationen bei in-Situ- Sanierungsmaßnahmen verwendet. Der Anstieg des Radongehalts der Bodenluft dient dabei als Indikator einer Bodenverbesserung.

Neben der qualitativen Lokalisierung der NAPL-Kontamination mit Hilfe des lokalen Radon-Minimus kann über den Grad der Verringerung der Radonkonzentration relativ zum Radongehalt im unkontaminierten Umfeld (geogener Background) ggf. auch eine halbquantitative Aussage zur Stärke der Kontamination gemacht werden.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel Durchführung einer Radonkartierung zur Lokalisierung einer NAPL-Kontamination auf einem ehemaligen Militärflughafen

Die Radonkartierung wurde entlang von insgesamt 14 Messprofilen vorgenommen, welche senkrecht zur Grundwasserfließrichtung eingemessen wurden. Die Messprofile hatten eine durchschnittliche Länge von 125 m. Der Profilabstand betrug im Schnitt 35 m. Als Punktabstand auf den Profilen wurde 10 m gewählt und dieser stellenweise verdichtet. Zusätzlich zu den Messprofilen wurden außerhalb dieser Profile weitere Verdichtungspunkte gelegt. Die Radonkartierung wurde mit insgesamt 209 Radonmessungen in einer Messkampagne durchgeführt, welche sich über einen Zeitraum von insgesamt 10 Tagen erstreckte.

Die im Zuge der Messkampagne ermittelte Bodenfeuchte lag bei 6,1 ± 2,9%. Die Messungen ergaben eine sehr gleichmäßige Verteilung der Bodenfeuchtewerte auf dem Untersuchungsgelände. Aufgrund des Volumens der verwendeten Messkammer (0,6 l) wurde jeweils 1 l Bodenluft entnommen. Die Abpumpzeit für 1 l Bodenluft mit einer nominativen Leistung der Pumpe von 1 l/min war für das gesamte Untersuchungsgelände mit ca. 65 s konstant. Diese geringe Abpumpzeit ist auf eine sehr hohe Gaspermeabilität des Bodens im Messhorizont zurückzuführen. Als Trockendichte des Bodens vom Standort wurde ein Wert von 1,6 g/cm3 ermittelt. Im Zuge vorangegangener Untersuchungen war die durchschnittliche Porosität des Bodens mit 0,36 festgestellt worden.

Mit den oben genannten Werten, einem Emanationskoeffizienten von 0,31 und einer für den Messhorizont ermittelten durchschnittlichen spezifischen Radiumaktivität von 14 Bq/kg ergibt sich als geogener Background der Radonkonzentration der Bodenluft theoretisch ein Wert von ca. 19 kBq/m3. Die auf dem Standort in 70 cm Tiefe gemessenen Radonkonzentrationen der Bodenluft lagen in einem Wertebereich zwischen < 1 kBq/m3 und 22 kBq/m3.

Das im Zuge der Radonkartierung auf dem Standort festgestellte Radon-Verteilungsmuster ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Das Kartenbild zeigt, dass sich das auskartierte Radonminimum im Zentrum des Untersuchungsgeländes gut mit der Verbreitung der NAPL- Kontamination in der grundwasserungesättigten Bodenzone deckt. Diese war im Vorfeld mit Hilfe von Rammkernsondierungen festgestellt worden. Sowohl nach den Ergebnissen der Radonkartierung als auch den Ergebnissen der Rammkernsondierungen erstreckt sich der Kern der kontaminierten Zone vom ehemaligen Schadensherd ausgehend, dem Grundwasserstrom folgend in nordwestliche Richtung.

Ein weiteres, separates Radonminimum wurde westlich des Schadenszentrums, im Bereich des Sanierungsbrunnens B2, festgestellt. Dieses Radonminimum indizierte die im Sanierungsbrunnen B2 angetroffene, wahrscheinlich ebenfalls vom Schadenszentrum ausgehende NAPL-Kontamination der grundwasserungesättigten Bodenzone.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die auf dem Standort vorliegende großräumige NAPL-Verunreinigung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Radonkartierung lokalisiert werden konnte. Dabei wurden die NAPL-kontaminierten Bereiche durch sehr deutliche Radonminima indiziert. Aufgrund der nahezu idealen Messbedingungen war der für die Lokalisierung der ausgedehnten NAPL-Kontamination notwendige Aufwand im Vergleich zur Lokalisierung durch Rammkernsondierungen gering.

Legende zur Abbildung

Ergebnis der erfindungsgemäßen Radonkartierung im Vergleich zu der durch Rammkernsondierungen lokalisierten Verbreitung der NAPL-Kontamination (Pfeil zum Schadensherd)

-10-: Radon [kBq/m3]

B2Δ: Sanierungsbrunnen B2

&cif;: Radonmesspunkt

≙: Mit Hilfe von Rammkernsondierungen nachgewiesene Verbreitung der NAPL- Kontamination


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Nachweis von Bodenkontaminationen durch organische Flüssigphasen (NAPLs), dadurch gekennzeichnet, dass an dem zu untersuchenden Standort Bodenluft aus der grundwasserungesättigten Bodenzone entnommen wird, die Radonkonzentration (222Rn) dieser Bodenluft bestimmt und mit der geogen bedingten Radonkonzentration der Bodenluft des unkontaminierten Bodens verglichen wird und anhand einer signifikanten Verringerung des Radongehaltes der Bodenluft die Kontaminationen lokalisiert werden, wobei bei der Entnahme der Bodenluft ein Zutritt von Fremdluft ausgeschlossen wird sowie das entnommene Bodenluftvolumen und die Probenahmetiefe konstant gehalten werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zeitparallel zur Messung der Radonkonzentration der Bodenluft die Gaspermeabilität des Bodens, die metereologischen Parameter Temperatur und Luftdruck sowie die Bodenfeuchte bestimmt werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Radonkonzentration zur Verfolgung des Rückgangs der Kontaminationen bei in-Situ-Sanierungsmaßnahmen verwendet wird, wobei der Anstieg des Radongehalts der Bodenluft als Indikator dient.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

    eine Bodenluftsonde so in den Boden eingebracht wird, dass über eine radondichte Pumpe eine definierte Menge Bodenluft aus einer definierten Tiefe entnommen wird,

    über die Pumpzeit eine halbquantitative Ermittlung der Gaspermeabilität des Bodens erfolgt,

    gleichzeitig die Bodenfeuchte an der Basis des Sondenloches bestimmt wird

    sowie eine zeitparallele Messung von Temperatur und Luftdruck erfolgt.






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