DE19840777C2 - Verfahren und Anordnung zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich, wobei die gasförmigen und/oder leichtflüchtigen Schadstoffe zusammen mit der im Erdreich befindlichen Luft über mindestens eine in das kontaminierte Erdreich getriebene Bohrung mit gasdurchlässiger Wandung abgesaugt werden. Dabei gehen die flüchtigen Schadstoffe von der Flüssigphase in die Gasphase über und die mit Schadstoffen angereicherte Bodenluft wird in einer Bodenluftreinigungsanlage abgereinigt.

Im Erdreich ehemaliger Industrieanlagen findet man häufig leichtflüchtige Verunreinigungen. Die Standorte müssen ab einem bestimmten Gefährdungspotential saniert werden. Diese Verunreinigungen liegen im Boden als flüssige Phase und Bodenluft vor. Unter Bodenluft wird die Gesamtheit der luftgefüllten Bodenporen in der ungesättigten Bodenzone verstanden. Im Boden liegen die Schadstoffe als flüssige Phase und Bodenluft vor. Die Wechselwirkung zwischen der flüssigen Phase und der Bodenluft und somit der Konzentration der Bodenluft wird durch das Henry'sche Gesetz beschrieben. Die Technik der Bodenluftabsaugung zur Entfernung leichtflüchtiger Schadstoffe aus der ungesättigten Bodenzone beruht auf dem Transport von leichtflüchtigen Schadstoffen in der Gasphase aufgrund eines lokal erzeugten Unterdruckes.

Bisher entwickelte Methoden (DE 42 40 969 C2) zur weitgehenden Entfernung solcher Verunreinigungen nutzen die Tatsache aus, daß solche Lösungsmittel leicht flüchtig sind und zusammen mit der im Erdreich befindlichen Luft abgesaugt und dann erforderlichenfalls abgeschieden werden, bevor die Luft in die Atmosphäre abgegeben wird. Dabei wird so verfahren, daß in das verseuchte Erdreich ein Schacht oder eine Brunnenbohrung eingebracht wird, in welchem bzw. welcher ein in seiner Wandung durchlässiges Rohr, z. B. ein Brunnenfilterrohr, abgesenkt wird, welches zweckmäßig noch mit einer Kiesschüttung umgeben wird, wobei die Bohrung bis unmittelbar oberhalb des Grundwasserspiegels geführt wird. Der Schacht wird dann bis auf das in seinem oberen Bereich nicht mehr durchlässige Absaugrohr abgedichtet und auch die anschließenden Oberflächenbereiche des zu reinigenden Erdreiches müssen in irgendeiner Weise gegen den leichten Zutritt von Luft versiegelt oder abgedichtet sein oder werden. Sofern eine solche Oberflächenabdichtung infolge von jahrzehntelangem Begehen oder Befahren nicht vorhanden ist, muß sie durch Aufbringen eines gasundurchlässigen Folienbelages geschaffen werden. An das äußere Ende des in den Schacht niedergebrachten Absaugrohres wird dann eine Saugpumpe, z. B. eine Seitenkanalpumpe, saugseitig angeschlossen, welche ein Vakuum im Inneren des Saugrohres erzeugt, wodurch aus dem umgebenden Erdreich Luft nachgesaugt wird, welche mit den gasförmigen, leicht flüchtigen Verunreinigungen beladen ist. Dabei fördert der entstehende leichte Unterdruck die Verdampfung von eventuell noch in flüssiger Form vorliegenden Verunreinigungen. Die angesaugte Luft kann neben den flüchtigen Bestandteilen auch noch Wassertröpfchen und ggf. auch feste Verunreinigungspartikel enthalten, wofür entsprechende Abscheider vorgesehen werden. Die eigentliche Reinigung des angesaugten Gases von den Verunreinigungen erfolgt dann beispielsweise durch Adsorption mittels Aktivkohle.

Da sich die Sanierungskosten stark nach dem Sanierungszeitraum richten, ist es das Ziel, die Schadstoffe möglichst schnell aus dem Erdreich zu entfernen. Weiterhin ist es billiger, Bodenluft mit hoher Konzentration zu reinigen als Bodenluft mit geringer Konzentration.

Die DE 196 48 928 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur In Situ Behandlung schadstoffbelasteter Böden durch die Nutzung von elektrisch beheizten Lanzen, wobei der Erfolg der Dekontamination erst durch das Herausziehen dieser Lanzen während des Betriebes erreicht wird.

Absaugbohrungen sind nicht vorgesehen und die Lanzen müssen während der Dekontamination bewegt werden.

Aus der WO 97/48504 ist ein thermisches in situ Verfahren und System zur Desorption von schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen bekannt. Der kontaminierte Boden wird dabei über horizontal einzubringende Heizlanzen erwärmt. Eine Befeuchtung des Bodens ist nicht vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steigerung des Austrages von flüchtigen Verunreinigungen aus dem Erdreich zu entwickeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils zugehörigen Ansprüchen 2 bis 5 bzw. 7 und 8 enthalten.

Demnach beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich, wobei die gasförmigen und/oder leichtflüchtigen Schadstoffe zusammen mit der im Erdreich befindlichen Luft über mindestens eine in das kontaminierte Erdreich getriebene Bohrung und einem darin eingebrachten Absaugpegel mit gasdurchlässiger Wandung abgesaugt werden, wobei die flüchtigen Schadstoffe von der Flüssigphase in die Gasphase übergehen und die mit Schadstoffen angereicherte Bodenluft in einer Bodenluftreinigungsanlage abgereinigt wird. In unmittelbarer Umgebung zum Absaugpegel wird dabei mindestens eine Heizlanze in das Erdreich niedergebracht, wobei die Bodenluft und das Erdreich durch Erwärmung über die Heizlanze auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Dadurch wird das Phasengleichgewicht der flüchtigen Schadstoffe zwischen Gas- und Flüssigphase zur Gasphase verschoben und die Konzentration an gasförmigen Schadstoffen in der abzusaugenden Bodenluft wird erhöht.

Die Heizlanze wird dazu in einer Bohrung niedergebracht, wobei zwischen Heizlanze und Bohrwandung ein Füllmaterial zu Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen Heizlanze und Erdreich eingebracht wird. Das von der Heizlanze umgebene Erdreich und/oder Füllmaterial wird bei Verringerung der Wärmeleistung durch an der Heizlanze angeordnete Rohre mit einer wässrigen Flüssigkeit befeuchtet.

Der Dampfdruck eines Schadstoffes ist das direkte Maß für das Bestreben einer Komponente, in die Gasphase (hier Bodenluft) überzugehen und ist direkt von der Temperatur abhängig. Wird die Temperatur erhöht, verschiebt sich das Phasengleichgewicht zwischen Gas und Flüssigkeit weiter zur Gasphase. Bei einer Temperaturerhöhung von 15 K verdoppelt sich der Dampfdruck z. B. von Trichlorethen und damit steigt auch die Sättigungskonzentration in der Gasphase auf das Doppelte an. Diesen physikalischen Grundsatz macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die erforderliche Energie in das Erdreich gebracht, um das Erdreich und die Bodenluft auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und somit das Phasengleichgewicht zwischen Gas- und Flüssigphase auf die Gasphase zu verschieben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Schadstoffaustrag gesteigert und somit der Sanierungszeitraum verkürzt.

Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die Heizlanze doppelwandig ausgeführt und wird von einem erwärmten Wärmeträgermedium aus einem in einem Wärmeübertragungskreislauf angeordneten und mit der Heizlanze verbundenen Erhitzer durchströmt, wobei das Wärmeträgermedium im Vorlauf durch den Mantel der Heizlanze seine Wärme an das Erdreich abgibt und das abgekühlte Wärmeträgermedium über ein in der Heizlanze angeordnetes Innenrohr wird zurück zum Erhitzer geleitet und dort wieder auf Vorlauftemperatur erwärmt. Der Energieeintrag der Heizlanze in das Erdreich wird durch die treibende Temperaturdifferenz bestimmt, da im Betrieb sowohl der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Wärmeträgermedium und Boden als auch die Fläche konstant sind. Als Wärmeträgermedium können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Sattdampf und/oder überhitztes Wasser und/oder heißes Wasser und/oder weitere umweltvertägliche Wärmeträger eingesetzt werden. Durch die Wahl von geeigneten Wärmeträgermedien kann die treibende Temperaturdifferenz zwischen Erdreich und Wärmeträger festgelegt werden. Bei sehr hohen Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen Wärmeträgermedium und Boden im Erdreich muß auch der alpha - Wert der Wärmeträger - Heizlanze optimal sein.

Dies wird durch Sattdampf als Wärmeträgermedium erreicht. Durch den Einsatz von überhitztem Wasser kann der Wärmegradient zwischen Heizlanze und Boden sehr hoch eingestellt werden. Eine Gefährdung der Umwelt durch Undichtigkeiten ist bei diesem Medium ausgeschlossen. Sollte ein geringer Wärmegradient ausreichen, kann man mit warmen Wasser (bis ca. 95°C und Normaldruck) auskommen.

Zur Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen Heizlanze und Erdreich wird zwischen Heizlanze und Bohrwandung ein Füllmaterial eingebracht. Das Füllmaterial wird bevorzugt aus einer Mischung aus 8,5 Vol.-% Bentonit, 13,0 Vol.-% Zement, 26,5 Vol.-% Quarzsand und 52 Vol.-% Wasser angesetzt.

Das von der Heizlanze umgebene Erdreich und/oder Füllmaterial wird mit einer wässrigen Flüssigkeit befeuchtet. Um die Heizlanzen besteht die Gefahr, daß das Erdreich austrocknet und der Wärmeübergang sinkt. In diesem Fall könnte nicht mehr genügend Energie übertragen werden, um die Bodenluft zu erwärmen. Über die erfindungsgemäße Anordnung von Befeuchtungsrohren an der Heizlanze kann das Erdreich und das Füllmaterial befeuchtet werden, was wiederum zu einem besseren Wärmeübergang führt. Diese Befeuchtung wird eingeleitet, sobald sich die übertragene Wärmeleistung (im stationären Zustand) verringert. Durch die lokale Befeuchtung wird außerdem ein Verschleppen der Schadstoffe unterbunden.

Nach der Erfindung soll mindestens eine Heizlanze je nach Untergrund im Abstand von 1 bis 10 m zum Absaugpegel in das Erdreich niedergebracht werden. Das Verfahren eignet sich somit für lokale und großflächige Sanierungsverfahren. Ein besonderes Merkmal der Erfindung beinhaltet jedoch, daß die Erwärmung des Erdreiches lokal gebunden wird, indem mindestens zwei Heizlanzen gegenüberstehend und jeweils im Abstand von 1 bis 10 m zum Absaugpegel in das Erdreich niedergebracht werden. Bei einer derartigen Anordnung wird erreicht, daß die Erwärmung lokal gebunden wird und die Verluste minimiert werden. Dadurch, daß die Strömungsrichtung der Bodenluft entgegengesetzt zur Wärmeausbreitung verläuft, wird dieser Vorgang der lokalen Erwärmung weiter unterstützt.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch eine Anordnung zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich. Die vorstehende Beschreibung des Reinigungsverfahrens läßt ansich bereits die wesentlichen Komponenten der zugehörigen Anordnung erkennen. Im übrigen wird diesbezüglich auf die nachstehende Figurenbeschreibung verwiesen, die insoweit auch allgemeingültige Merkmale enthält. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden.

In der Zeichnung zeigen die

Fig. 1: Prinzipskizze des Verfahrens und einer beispielhaften Anordnung,

Fig. 2: schematischer Aufbau einer Heizlanze.

Die Heizlanzen sind gemäß Fig. 2 doppelwandig (Außenrohr 1 und Innenrohr 2) ausgeführt. Das Wärmeträgermedium strömt über den Anschluß Vorlauf 1a im Außenrohr/Vorlaufrohr 1 durch den Mantel und gibt seine Wärme an den Boden ab. Über das Innenrohr/Rücklaufrohr 2 wird das abgekühlte Wärmeträgermedium über den Anschluß Rücklauf 2a zurück zum Erhitzer (nicht dargestellt) geleitet und dort wieder auf Vorlauftemperatur gebracht. Die Heizlanze ist mit Mitteln zur Befeuchtung des von der Heizlanze umgebenen Erdreiches und/oder Füllmaterials versehen, wie hier die Befeuchtungsrohre 3 und 4 mit Perforierungen. Die Befeuchtungsrohre sind über die Halterungen 5 mit dem Außenrohr/Vorlaufrohr 1 der Heizlanze verbunden.

In der Fig. 1 ist das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer beispielhaften Anordnung dargestellt.

Dort ist dargestellt, wie versucht wird, mittels vier (zwei davon sichtbar) in den Boden eingebrachter Heizlanzen 6 einen Deponiekörper 7 zu erwärmen. Die Heizlanzen wurden 4 m tief als Eckpunkte eines Quadrates mit der Seitenlänge 1,5 m, symmetrisch um den Absaugpegel 8 in den Deponiekörper eingebracht. Zur Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen Heizlanze und Erdreich wird zwischen Heizlanze und Bohrwandung ein Füllmaterial 10 eingebracht. Das Füllmaterial wird bevorzugt aus einer Mischung aus 8,5 Vol.-% Bentonit, 13,0 Vol.-% Zement, 26,5 Vol.-% Quarzsand und 52 Vol.-% Wasser angesetzt. Als Wärmeübertragungsmedium wurde Wasser bei einer Temperatur von 130°C und einem Druck von ca. 3 bar eingesetzt. Somit war ein hoher Wärmegradient (dT/dx) über die gesamte Versuchsdauer gewährleistet. Das Wasser wurde mit einem Volumenstrom zwischen 2 und 3 m³/h im Kreislauf geführt. Zur Erwärmung und Umwälzung der Heizflüssigkeit wurde ein elektrisch betriebenes Temperiergerät mit der notwendigen Leistung verwendet (Anschluß zum Wärmeträgerkreislauf 9).

Die Temperaturen wurden einige Tage vor Versuchsbeginn, während des Versuchs und einige Tage nach dem Versuch gemessen und aufgezeichnet. Diese Temperaturmeßwerte des beheizten Bodenluft-Pegels wurden mit Temperaturen verglichen, die an einem Bodenluftpegel im nicht beheizten Bereich aufgenommen wurden. Der Versuch wurde mit folgenden Parametern durchgeführt:
V Luft = 30 m³/h
T Heizwasser = 130°C
V Heizwasser = 2-3 m³/h

Die wesentliche, sich ändernde Zustandsgröße des Versuches stellt die Bodentemperatur im beheizten Bereich dar. Im Deponiekörper um den Luftpegel, der mittels der 4 Heizlanzen erwärmt wurde, konnten Temperaturänderungen von bis zu ΔT = +35°C gemessen werden. Dies entspricht einer Absoluttemperatur von bis zu 45°C. Das System erreichte den stationären Zustand bezüglich des Wärmeübergangs in den Boden nach einigen Tagen. Dies zeigte sich durch eine konstante Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf von etwa 2,5°C.

Die vom Heizmedium abgegebene Leistung lag je nach Temperaturdifferenz zwischen 6,65 kW und 10,15 kW. Es wurde keine Veränderung des Wärmeübergangswiderstandes beobachtet, was zu der Schlußfolgerung führt, daß sich die Eigenschaften des Bodens durch den Versuch nicht veränderten. Das Austrocknen des Bodens wird wahrscheinlich über einen längeren Zeitraum erfolgen, ihm kann im Bedarfsfall mittels Bewässerung entgegengewirkt werden. Das Verfahren ist für den Betrieb in fast allen Bereichen und Umgebungen, z. B. auch Wohngebieten, geeignet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Reinigung von kontaminiertem Erdreich, wobei die gasförmigen und/oder leichtflüchtigen Schadstoffe zusammen mit der im Erdreich befindlichen Luft über mindestens eine in das kontaminierte Erdreich getriebene Bohrung und einem darin eingebrachten Absaugpegel mit gasdurchlässiger Wandung abgesaugt werden, wobei die flüchtigen Schadstoffe von der Flüssigphase in die Gasphase übergehen und die mit Schadstoffen angereicherte Bodenluft in einer Bodenluftreinigungsanlage abgereinigt wird, und wobei in unmittelbarer Umgebung zum Absaugpegel mindestens eine Heizlanze in das Erdreich niedergebracht wird, wobei die Bodenluft und das Erdreich durch Erwärmung über die Heizlanze auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden, wodurch das Phasengleichgewicht der flüchtigen Schadstoffe zwischen Gas- und Flüssigphase zur Gasphase verschoben wird und die Konzentration an gasförmigen Schadstoffen in der abzusaugenden Bodenluft erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizlanze in einer Bohrung niedergebracht wird, wobei zwischen Heizlanze und Bohrwandung ein Füllmaterial zur Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen Heizlanze und Erdreich eingebracht wird, und dass das von der Heizlanze umgebene Erdreich und/oder Füllmaterial bei Verringerung der Wärmeleistung durch an der Heizlanze angeordnete Rohre mit einer wässrigen Flüssigkeit befeuchtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizlanze verwendet wird, die doppelwandig ausgeführt ist und von einem erwärmten Wärmeträgermedium aus einem in einem Wärmeübertragungskreislauf angeordneten und mit der Heizlanze verbundenen Erhitzer durchströmt wird, wobei das Wärmeträgermedium im Vorlauf durch den Mantel der Heizlanze seine Wärme an das Erdreich abgibt und das abgekühlte Wärmeträgermedium über ein in der Heizlanze angeordnetes Innenrohr zurück zum Erhitzer geleitet und wieder auf Vorlauftemperatur erwärmt wird.

3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgermedium Sattdampf und/oder überhitztes Wasser und/oder heißes Wasser eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial aus einer Mischung aus 8,5 Vol.-% Bentonit, 13,0 Vol.-% Zement, 26,5 Vol.-% Quarzsand und 52 Vol.-% Wasser angesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Heizlanze im Abstand von 1 bis 10 m zum Absaugpegel in das Erdreich niedergebracht wird.

6. Anordnung zur Reinigung von mit gasförmigen und/oder leichtflüchtigen Schadstoffen kontaminiertem Erdreich mit einer in das kontaminierte Erdreich getrieben Bohrung und einem darin eingebrachten Absaugpegel mit gasdurchlässiger Wandung, einer an den Absaugpegel angeschlossenen Bodenluftreinigungsanlage und einer Heizlanze, wobei die Heizlanze doppelwandig ausgeführt ist, zwischen der Heizlanze und dem Erdreich ein Füllmaterial zur Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs angeordnet ist und die Heizlanze mit Mitteln zur Befeuchtung des die Heizlanze umgebenden Erdreichs versehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Befeuchtung Befeuchtungsrohre mit Perforierungen sind, die an den Heizlanzen angeordnet sind.

8. Anordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Heizlanze im Abstand von 1 bis 10 m zum Absaugpegel im Erdreich angeordnet ist.