Pneumatische Verfahren
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FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Pneumatische Verfahren Charakteristiken und Vorgehensweise Allgemeines Pneumatische Verfahren basieren auf dem Austrag von Schadstoffen aus dem Untergrund mittels einer durch gezielte Entnahme und ggf. Zugabe von Luft erzeugten Gasströmung. Die Luftentnahme erfolgt mit Hilfe eines geeigneten Aggregates (z. B. Ventilator) über geeignete Fassungsanlagen, im allgemeinen Absaugbrunnen mit Filterrohren im Kernbereich der Kontamination. Entsprechend dem sich einstellenden Druckgefälle (Gradient) entsteht eine Luftströmung hin zur Fassungsanlage. Dem belasteten Bereich zuströmende, "saubere" Luft wird in Folge von Austauschprozessen mit den weniger mobilen Phasen (reine Schadstoffphase, gelöste Phase, adsorbierte Phase und nicht durchströmter Luftporenanteil) mit Schadstoffen angereichert. Durch fortgesetzte Abreicherung der Schadstoffvorräte im Untergrund kann eine Reduktion bis auf tolerierbare Restgehalte erfolgen. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 1 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Bodenluftströmung Die Bodenluftströmung an einer Stelle hängt von den Druckgra- v = kL ((1/ρ) grad p + grad z) dienten (Luftdruckgefälle hin zur Entnahmestelle) und der Gasdurchlässigkeit des Bodens ab. Die Luftströmung kann entspre- v = Volumenanstromdichte chend dem Darcy-Gesetz - im Rahmen dessen Gültigkeitsberei- kL = Durchlässigkeits- ches - wie nebenstehend beschrieben werden. koeffizient für Luft ρ = Dichte z = Höhe über Bezugsniveau Bei homogenen, isotropen (richtungsunabhängigen) Untergrundverhältnissen ist das Strömungsfeld zu einem Brunnen radialsymetrisch zur Brunnenachse. Eine idealtypische Druckverteilung über einen Vertikalschnitt mit daraus resultierendem Strömungsfeld ist nachstehend dargestellt. p = Druck U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 2 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Stoffaustrag Grundlagen zu Verteilung und Transport der Schadstoffe sind im einzelnen in Kapitel 3 beschrieben. Ein Schadstoff kann je nach seinen molekularen Eigenschaften im System Boden / Bodenwasser / Bodenluft mehr oder weniger als Schadstoff in Reinphase, adsorbiert an das Bodensubstrat (adsorbierte Phase), gelöst im Bodenwasser (gelöste Phase), gasförmig (Gasphase) sowie ggf. eingebunden in bzw. angelagert an vorhandene sonstige Phasen (z. B. eine Kohlenwasserstoffphase im Fall einer Ölverunreinigung) vorkommen. Der Transport von Stoffen lä&t sich im wesentlichen unterscheiden in Konvektiver Transport mit einer mobilen Phase (bei mäßig bis gut durchströmbaren Boden vergleichsweise schnell) Diffusiver Transport innerhalb einer Phase (vergleichsweise langsam) Phasenübergänge Phasenübergänge von Substanzen sind in ihrer Geschwindigkeit durch verschiedene Faktoren (z. B. Übergang an der Grenzfläche, Diffussionsprozesse zur Grenzfläche) begrenzt. Aufgrund der Austauschprozesse erfährt eine transportierte Substanz eine Verlangsamung der Transportgeschwindigkeit (Retardation) gegenüber der Geschwindigkeit der mobilen Phase. Dies ist umso ausgeprägter, je mehr dieser Stoff zur Verteilung in die immobilen Phasen neigt. Bei pneumatischen Verfahren ist die Luft die wesentliche mobile Phase. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 3 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Einflußfaktoren Bodenfaktoren Allgemeines / Übersicht Folgende Bodeneigenschaften sind für pneumatische Sanierungsverfahren von besonderer Bedeutung; Bodenstruktur (Aggregierung, Vorhandensein von Makroporen) Bodentextur (Korngrößenverteilung) Schichtung, Heterogenität Luftporenanteil Wassergehalt Restsättigung Gehalt an organischer Substanz Die genannten Eigenschaften beeinflussen als wesentliche Kenngröße die Luftdurchlässigkeit sowie das Sorptionsverhalten des Bodens. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 4 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Luftdurchlässigkeit Für einen homogenen Bodenbereich läßt sich die Luftdurchlässigkeit als Funktion des Luftporenanteils und des Wassergehaltes beschreiben. Unter GIeichgewichtsbedingungen (kein Einfluß kurzfristiger Wasserzufuhr oder -entnahmen) ist der Wassergehalt eine Funktion der Kornverteilung, dem sich daraus ergebenden Matrixpotential und dem Schwerkraftpotential. Das Matrixpotential beschreibt die durch Oberflächen- bzw. Kapillarkräfte bewirkte wasseransaugende Kraft des Bodens, das Schwerkraftpotential das Energiegefälle zum Grundwasserspiegel. Bei homogenem Bodenmaterial nimmt der Wassergehalt von der Bodenoberfläche zum Grundwasser hin zu. Der Bereich oberhalb des Grundwasserspiegels, indem aufgrund des Matrixpotentials eine vollständige Wassersättigung erreicht wird, wird Kapillarsaum genannt. Analog zur Wasserdurchlässigkeit nimmt die Luftdurchlässigkeit zudem mit zunehmender Korngröße des Bodens und zunehmender Porosität zu. Die Luftdurchlässigkeit ist also i.a. geringer, je näher man an die Grundwasseroberfläche kommt und je feinkörniger der Boden ist. Bei der Erfassung der konkreten Untergrundeigenschaften in einem Schadensfall sind neben natürlichen auch durch den Menschen geschaffene künstliche Wegsamkeiten im Untergrund zu beachten. Dies betrifft z. B. den Bereich von Ver- und Entsorgungsleitungen, die häufig in einem Kies- bzw. Sandbett liegen. Die Anwendungsgrenzen der pneumatischen Verfahren hinsichtlich der Durchlässigkeit werden in der Literatur unterschiedlich angegeben: Für kf-Werte (bezogen auf Wasser) > 10-5 m/s ist im allgemeinen eine gute Anwendbarkeit gegeben. Bis etwa 10-7 m/s, in Ausnahmefällen sogar bei kf-Werten < 10-8 m/s kann eine Anwendbarkeit möglich sein. Örtlich ist zudem zu beachten, ob aufgrund der Feuchteverteilung ein ausreichender Luftporenanteil im Sanierungsbereich gegeben ist. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 5 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Sorptionseigenschaften Der Boden kann je nach Beschaffenheit, insbesondere mit zunehmendem Gehalt an Ton und organischer Substanz, Flächen zur Verfügung stellen, an denen sich bevorzugt Schadstoffe anlagern können. Die Eigenschaften dieser Flächen, z. B. ihre Lage in Zwischenschichten von Tonmineralen, tragen häufig zu einem verlangsamten Stoffaustausch mit der Umgebung bei. So kann die Desorptionskinetik die Sanierungseffektivität wesentlich begrenzen. Heterogenität In der Praxis sind verunreinigte Untergrundbereiche tast nie durchgehend homogen aufgebaut, sondern weisen Schichtungen, Einschlüsse bzw. Verzahnungen aut. Dies äußert sich z. B. häufig in kleinräumig unterschiedlicher Ergiebigkeit von Bodenluftfassungsanlagen. Schichtungen können sich häufig ungünstig auswirken, da i. a. gering durchlässige, wenig durchströmte Bodenpartien stärkere Anreicherungen mit Belastungen auf weisen. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 6 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Stoffeigenschaften Für die Anwendung pneumatischer Sanierungsverfahren haben insbesondere solche Stoffeigenschaften eine Bedeutung, die die Verteilung eines Stoffes zwischen den im Untergrund vorhandenen Phasen beeinflussen. Eine Substanz eignet sich insbesondere dann für pneumatische Verfahren, wenn sie eine besondere Tendenz zur Gasphase hin besitzt. Dies läßt sich aufgrund folgender Kenngrößen beurteilen: Dampfdruck Nach (USEPA, 1991) sind Substanzen mit einem Dampfdruck von mehr als 0,7 mbar als gut flüchtig einzustufen. Nach (DVWK 98, 1991) sollte ein Schadstoff für eine pneumatische Sanierung einen Dampfdruck von mehr 0.2 mbar (bei 20 °C) aufweisen. Der Dampfdruck ist stark temperaturabhängig (Verdreifachung bis Vervierfachung des Dampfdruckes bei einer Temperaturerhöhung urn ca. 10 °C). In Kontaminationsbereichen mit einer reinen Schadstoffphase ist der Dampfdruck die maßgebende Stoffeigenschaft. Löslichkeit Die Löslichkeit eines Stoffes beeinflußt stark die Verteilung zwischen der Gasphase und der gelösten Phase. So neigt beispielsweise Phenol im Untergrund trotz eines vergleichsweise hohen Sättigungsdampfdruckes aufgrund seiner sehr guten Löslichkeit zur Verteilung in die gelöste Phase. Die HenryKonstante H = Cg /Cw (C = Konzentration; g = Gasphase. w = wässrige Phase) beschreibt die Verteilung eines Stoffes im Zweiphasensystem Bodenluft/Bodenwasser. Adsorptionsneigung Bei Boden mit relevanten org. Anteilen erfolgt die Adsorption organischer Schadstoffe vorwiegend an organischem Materjal. Die Adsorptionsneigung kann dann qualitativ aus dem Gehalt an organischer Substanz und dem standardisierten kow-Wert (Oktanol/ Wasser-Verteilungskoeffizient), der häufig in Stoffdatensammlungen angeführt ist, abgeschätzt werden. Bei sonstigen Boden nimmt die Adsorption tendenziell mit erhöhtem Feinkornanteil zu. Die hohe Adsorptionsneigung der meisten relevanten organischen Schadstoffe an organischen Bodenbestandteilen führt dazu, daB bei Vorliegen von Schichten mit hohen organischen Anteilen im Untergrund zu erwarten ist, daß ein wesentlicher Anteil der Belastungen dort gebunden ist. Dies sollte durch gezielte Beprobungen überprüft und bei der Planung von MaBnahmen berücksichtigt werden. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 7 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Art und Ausmaß der Für pneumatische Sanierungsverfahren ist es von Bedeutung, wie Kontamination die gesamte stoffliche Zusammensetzung einer Kontamination aussieht. Bei Mischkontaminationen ist der individuelle Dampfdruck einer Substanz über der Mischung eine Funktion vom Stoffliche Zusammensetzung Molenbruch (molekulargewichtskorrigierter Mischungsanteil) der betrachteten Substanz und ihres individuellen Dampfdruckes in Reinphase. Dies bewirkt, daß leichtflüchtige Bestandteile in einer schwerflüchtigen Phase weniger flüchtig werden. Auch führt dies dazu, daß im zeitlichen Verlauf einer Sanierung mittel- bis schwerflüchtige Komponenten erst später auftreten, wenn ein höherer Molenbruch relevante Dampfdrücke zuläßt. Bei Mineralölkontaminationeh als einem typischen Beispiel eines Stoffgemisches ist je nach Art und biologischem Abbauzustand ein Anteil von bis zu 20 - 35 % durch Bodenluftabsaugung nicht entfernbar (US EPA, 1991). Eine Bodenluftabsaugung stellt dann ggf. allein keine effektive Maßnahme zur Beseitigung von Heizöiverunreinigungen oder gealterten Benzinschadensfällen dar. Jedoch können gezielt angepaßte pneumatische Maßnahmen zu einer weitergehenden Sanierung durch mikrobiellen Abbau (BIOVENTING) beitragen. Verteilung im Untergrund Hinsichtlich der Verteilung im Untergrund ist von Bedeutung, ob eine eindeutige Punktquelle mit einem daraus resultierenden Schadensherd vorliegt oder ob es sich um eine eher flächige Verteilung aus verschiedenen Einträgen handelt. Weiterhin sollten folgende Fakten bekannt sein: Tiefenausdehnung der Belastung Ausdehnung der Belastung im Kapillarsaum und Grundwasserbereich Tiefenverteilung der Belastung in Relation zum geologischen/ pedologischen Aufbau (z. B. Anreicherung in Schichten mit erhöhtem Gehalt an feinkörnigen Material oder organischer Substanz). horizontale Ausdehnung der Belastung U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 8 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Wechselwirkung mit der Sanierung Das Prinzip einer Sanierung ist eine Veränderung der Belastungssituation. Neben der erwünschten gezielten Entfernung der Belastung durch gezielten Transport zu Entnahmeeinrichtungen können u. a. Verfrachtungen in vorher nicht belastete Boden- oder Grundwasserbereiche auftreten. Ursachen können z. B. eine falsche Anordnung von Absaug- oder Luftzufuhreinrichtungen oder zu hohe Lufteinblasmengen sein. Eine Verringerung der Schadstoffvorräte kann teilweise durch Förderung mikrobieller Abbauprozesse erfolgen. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 9 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Bodenluftabsaugung Zunächst gelten die o.g. allgemeinen Anwendungsgrenzen für pneumatische Sanierungsverfahren. Die Bodenluftabsaugung eignet sich nur für den ungesättigten Bereich mit ausreichend großen Grundwasserflurabstand. Dieser sollte mindestens 1 bis 2 m, bei feinkörnigem Untergrund ggf. auch mehr betragen. Hinsichtlich des geologischen Aufbaus ist zu beachten, ob alleine mittels Absaugmaßnahme im belasteten Bereich eine Bodenluftströmung induziert werden kann. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 10 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Verfahren mit Luftzufuhr (Bioventing) Verfahren mit Luftzufuhr sind dadurch gekennzeichnet. da8 ergänzend zur Bodenluftabsaugung eine gezielte Zufuhr bzw. Einblasung von Luft in den ungesättigten Bereich erfolgt. Diese kann aktiv durch Einblasen oder passiv aufgrund des Unterdruckes im Untergrund über eingerichtete Luftzutrittsmöglichkeiten (z. B. offene Brunnen) erfolgen. Die Luftzufuhr kann kontinuierlich oder intermittierend betrieben werden. Diese Verfahren werden angewandt, um Sanierungen zu beschleunigen und die Bodenluftströmung gezielter zu beeinflussen als es durch alleinige Absaugung möglich ist. Dabei erhöht sich im Vergleich zu einer reinen Bodenluftabsaugung gleicher Förderrate der durchschnittliche Luftdruck im Sanierungsbereich, was - gemäß der Wasserspannungs- / Wassergehaltsbeziehung - zu kleineren Wassergehalten und höheren Luftdurchlässigkeiten führt. Dementsprechend ist auch die bei Bodenluftabsaugmaßnahmen auftretende Grundwasseraufspiegelung kleiner. Bei aktiver Einblasung kann lokal sogar eine Absenkung der Grundwasseroberfläche auftreten. Weitere Vorteile des Verfahrens sind: U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 11 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Konditionierung der Bodenluftzusammensetzung (i.w. Sauerstoffzufuhr) für die Unterstützung biologischer Abbauprozesse. Verringerung der Strömungswiderstände im Untergrund durch Verkürzung der Durchströmungswege. Damit können kleiner dimensionierte Absaugaggregate mit geningerem Energieverbrauch eingesetzt werden. Bei Mehrbrunnenanlagen sind günstigere Anordnungen möglich, so daß strömungsarme Zonen zwischen den einzelnen Absaugbrunnen vermieden werden können. Bodenlufteinblasverfahren werden insbesondere angewandt als ergänzende Maßnahme bei einer betriebenen Bodenluftabsauganlage bei unbefriedigendem Sanierungsverlauf bei geringdurchlässigen Boden zur Steigerung der Sanierungsleistung bei speziellem Untergrundaufbau, bei dem eine Durchströmung belasteter Bodenpartien gegenüber einer Bodenluftabsaugung verbessert werden soll. Die Anwendungsgrenzen der Verfahren mit Luftzufuhr entsprechen weitestgehend den allgemeinen Anwendungsgrenzen von pneumatischen Verfahren. Ein wesentliches Problem bei der aktiven Lufteinblasung ist die Kontrollierbarkeit der Strömungsvorgänge. Gegenüber einer reinen Absaugung besteht bei einer zusätzlichen Einblasung prinzipiell die Gefahr, daß belastete Luft außerhalb des durch die Absaugeinrichtungen erfaßten Bereiches gelangt. Es ist im Einzelfall abzuwägen, ob dieses, insbesondere bei hohen Einblasdrücken auftretende Risiko gegenüber einer anderweitig kaum erzielbaren Belastungsverminderung (z. B. bei sehr gering durchlässigen Boden) in Kauf genommen wird. Weiterhin sind bei Anwendung sehr hoher Einblasdrücke mechanische Schädigungen, z. B. an Bauwerken oder an den Einblasbrunnen möglich. U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 12 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 13 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Absaugung und Abreinigung U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 14 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. ROLF BRACKE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES LEHRGEBIET UND FORSCHUNGSLABOR FÜR ANGEWANDTE UMWELTTECHNIK Absaugversuch U III Flächenentwicklung & Bodenschutz Bodenluftsanierung 18-1 / Seite 15 FACHHOCHSCHULE BOCHUM PROF. DR. 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