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Dokumentenidentifikation DE102004030410A1 09.06.2005
Titel Modellkompartimente und Verfahren zu ihrer Anwendung
Anmelder Oeste, Franz Dietrich, 35274 Kirchhain, DE
Erfinder Oeste, Franz Dietrich, 35274 Kirchhain, DE
DE-Anmeldedatum 23.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004030410
Offenlegungstag 09.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2005
IPC-Hauptklasse G01N 33/18
IPC-Nebenklasse G01N 33/24   G01N 1/36   G01P 5/00   
Zusammenfassung Mit den erfindungsgemäßen Modellkompartimenten können die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften und Reaktionen realer Böden, Gewässer, Grundwasseraquifere und Sedimente in einer vorbestimmten Tiefenlage an einem vorbestimmten Untersuchungsort über einen ausgedehnten Zeitraum erfasst werden. Die Modellkompartimente enthalten unterschiedliche Betten aus porösen festen Stoffen, die von dem Fluid, von dem die zu untersuchenden Kompartimente erfüllt sind, bei der Probennahme durchströmt werden. Die Modellkompartimente dienen der gleichzeitigen Mehrfachprobenahme zur Bestimmung der Stoffkonzentration von ausgewählten gelösten Stoffen und zur Bestimmung des Gehalts ausgewählter Stoffe in fluidgetragenen Partikeln und zur Bestimmung von mindestens einem weiteren Zustandsparameter aus der Gruppe Strömungsgeschwindigkeit der horizontalen Fluidströmungskomponente, Strömungsgeschwindigkeit der vertikalen Fluidströmungskomponente, Redox-Bereich, Stofffracht, Partikelfracht, Enzymfracht, Mikrobenpopulation, Metazoenpopulation.

Beschreibung[de]

Mit den erfindungsgemäßen Modellkompartimenten können die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften und Reaktionen realer Böden, Gewässer, Grundwasseraquifere und Sedimente in einer vorbestimmten Tiefenlage an einem vorbestimmten Untersuchungsort über einen ausgedehnten Zeitraum erfasst werden. Die Modellkompartimente enthalten unterschiedliche Betten aus porösen festen Stoffen, die von dem Fluid, von dem die zu untersuchenden Kompartimente erfüllt sind, bei der Probenahme durchströmt werden. Die Modellkompartimente dienen der gleichzeitigen Mehrfachprobenahme zur Bestimmung der Stoffkonzentration von ausgewählten gelösten Stoffen und zur Bestimmung des Gehalts ausgewählter Stoffe in fluidgetragenen Partikeln und zur Bestimmung von mindestens einem weiteren Zustandsparameter aus der Gruppe Strömungsgeschwindigkeit der horizontalen Fluidströmungskomponente, Strömungsgeschwindigkeit der vertikalen Fluidströmungskomponente, Redox-Bereich, Stofffracht, Partikelfracht, Enzymfracht, Mikrobenpopulation, Metazoenpopulation.

Natürliche Kompartimente, insbesondere die Grundwasseraquifere, bestehen aus einer festen stationären Phase, dem Grundwasserleiter, und einer strömenden Fluidphase, dem Grundwasser. Sediment-Kompartimente bestehen aus einer festen stationären Phase und einer strömenden bis stagnierenden Sedimentwasserphase. Boden-Kompartimente bestehen aus der festen stationären Bodenphase, einer strömenden oder stagnierenden Luftphase, und einer sporadisch auftretenden Sickerwasserphase, einer permanent vorhandenen Porenwasserphase sowie ggf. einer Kapillarwasserphase im Bereich über dem Grundwasserspiegel.

Die Eigenschaften der natürlichen Kompartimente Grundwasseraquifer, Sediment und Boden sind von außerordentlicher Komplexizität und Vielfalt, sowohl hinsichtlich Aufbau, Zusammensetzung und Verteilung der festen Phasen als auch der fluiden Phasen. Das gilt besonders hinsichtlich ihres chemischen Milieus und biologischer Aktivität. Darüberhinaus sind diese Kompartimente Lebensraum für einzellige und mehrzellige Tiere, Pflanzen, Pilze und ungezählte Lebensgemeinschaften.

Die Reaktion der komplexen Systeme dieser natürlichen Kompartimente auf menschliche Eingriffe ist in weiten Teilen noch unverstanden. Der Abbau und die Immobilisierung von Chemikalien, den sog. xenobiotischen Stoffen, die durch sorglosen Umgang oder Havarie in die Kompartimente eingedrungen sind, geschieht durch komplexe Wechselwirkung biologischer, abiotisch-chemischer und physikalischer Reaktionsmechanismen. Dies ist besonders dort beachtenswert, wo durch Eintrag und Einsickern von Schadstoffen in die Kompartimente Böden, Sedimente, Grundwasseraquifere und Gewässer Trinkwasser-Gewinnnungsanlagen gefährdet sind. Die Ausbreitung dieser Schadstoffe in den komplex zusammengesetzten Kompartimenten, die selbst dann, wenn sie von menschlichem Eingriff unberührt sind, einem beständigen Wandel unterworfen sind, ist dabei von zahlreichen Bedingungen abhängig. Dabei kommt dem Kompartiment Grundwasseraquifer besondere Bedeutung zu, da durch seine Beeinträchtigung mit Xenobiotika Trinkwasserressourcen gefährdet sind.

Viele der für die Abschätzung der Gefährdung durch in den Grundwasseraquifer eingedrungene Schadstoffe angewendeten Methoden sind ungeeignet, um eine echte Hilfestellung zu den erforderlichen Antworten zu geben, wie nachfolgend gezeigt wird: Beispielsweise wurden jährlich von einem behördlich zugelassenen renomierten Ingenieurbüro Grundwasserproben in verschiedenen Grundwassermeßstellen an einem ölkontaminierten Lockergesteins-Grundwasseraquifer unter einem Altstandort in einer deutschen Talaue gezogen und von einem zugelassenen und für seine Zuverlässigkeit geschätzten Analyseninstitut chemisch-annalytisch auf ihren Gehalt an bestimmten polycyclischen aromatischen Teerölkohlenwasserstoffen untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen an einer dieser Meßstellen sind in Tabelle 1 und 1 exemplarisch zusammengefaßt. Trotz konstanter Grundwasserflußrichtung über den gesamten Meßzeitraum differieren die einzelnen Konzentrationswerte um mehrere Größenordnungen. Aus diesen mit erheblichem Aufwand ermittelten Ergebnissen ist außer der Erkenntnis, daß eine Verunreinigung im Grundwasseraquifer vorliegt, bedauerlicherweise keine weitere Schlußfolgerung zu ziehen. Noch nicht einmal die Frage, ob überhaupt ein natürlicher Schadstoffabbau geschieht, läßt sich aus den Daten ermitteln.

Nur so ist es erklärbar, daß an zahlreichen Standorten, in denen Grundwasserschäden eingetreten sind, seit oft mehr als dreißig Jahren Untersuchungen angestellt worden sind, ohne daß die Aussagekraft der Untersuchungen zur Erstellung eines hinreichend detaillierten Grundwassermodells hingereicht hätte. Das ist aber notwendig, um die geeignete Sicherungsmaßnahme zu treffen.

Langzeitprobenahmen und -untersuchungen beginnen sich durchzusetzen, weil sie zuverlässige Daten über die zu bestimmenden Zustände und Prozesse liefern. Zu diesen Untersuchungsmethoden zählen die neuerlich bekannt gewordenen Probenahmemethoden durch linienförmig oder punktuell angeordnete Schadstoffpassivsammler und Detektionsmittel. Sie dienen zur Ermittlung des Redox- und Schadstoffmilieus. Die in der Offenlegungsschrift DE 199 47 635 A1: „Detektionsmittel und ihre Anwendung"; und den deutschen Gebrauchsmustern Nr. 299 23 893.8 „Detektoren zur Wasseruntersuchung" sowie Nr. 299 23 739.7 „Passivsammler", offenbarten Mittel und Methoden dazu haben gezeigt, daß die Grundwasseraquifere kleinräumig außerordentlich heterogene Schadstoffverteilung aufweisen können.

Das bedauerlicherweise noch immer trotz seiner erkannten Fehlerbehaftung für die Bewertung von Grundwasseraquiferen zugelassene normierte Probenentnahmeverfahren von Wasserproben nach DIN 38 402 hingegen bietet nur eine grobe Momentaufnahme des Grundwasserzustandes:

Probenahme aus Grundwasserleitern (A13), 6.3.2 Abpumpen: Bei Grundwassermeßstellen soll ... 1 m unter der Oberkante der Filterstrecke abgepumpt werden. Der Zeitpunkt für die Probenahme [aus dem abgepumpten Wasser] ist erreicht, wenn ... elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert oder Temperatur im geförderten Wasser....konstant [geworden sind]...,

Bei diesem Probenahmeverfahren wird das Aquiferkompartiment massiv gestört, da die Pumpe in Abhängigkeit von Pumpenleistung und hydraulischer Leitfähigkeit des Grundwasseraquifers im Umfeld des Probenahmeorts das Wasser aus einem mehr oder weniger großen Volumen in der Meßstelle mit Fließgeschwindigkeiten absaugt, die Größenordnungen über der natürlichen Grundwasserbewegung liegen. Dabei wird die natürliche Grundwasserschichtung massiv gestört und die unterschiedlich konditionierten Grundwassersträhnen miteinander vermischt sowie ggf. darin vorkommende und an der stationären Aquiferphase anhaftende Öl- und Partikelphasen mobilisiert. Das Untersuchungsergebnis wird in der Regel dadurch vollkommen verfälscht. Die in Tabelle 1 und 1 dargestellten Ergebnisse sind auf diese zugelassene Probenahmemethode aus dem Grundwasseraquifer-Kompartiment zurückzuführen.

Es stellt sich daher die dringende Aufgabe, Kompartiment-Untersuchungsmethoden mit ausgedehnter Untersuchungs- und Probenahmedauer einzusetzen, die derart ausgelegt sind, daß zumindest die erforderliche Anzahl aussagekräftiger Parameter, die zur Modellierung und damit Gefährdungsabschätzung der Grundwasserverunreinigung notwendig sind, direkt durch die gleichzeitige Untersuchung an einem dafür geeigneten Probenahmepunkt in dem Kompartiment ermittelt werden und daß die Störung der physikalisch-chemisch-biologischen Verhältnisse in dem Kompartiment durch die Untersuchung auf das möglichste Minimum begrenzt wird. Idealerweise sollten alle untersuchten Parameter am gleichen Ort und während der gleichen Untersuchungsperiode ermittelt werden.

Die durch Bohrungen und die sonstigen üblichen Kartiermaßnahmen ermittelten geologischen und geographischen Voraussetzungen bilden den groben Rahmen für das zu erstellende Grundwassermodell. Darüber hinaus sind all jene Parameter notwendig für die Abbildung eines aussagefähigen Aquifermodells, mit denen sich sich die Fragestellungen 1 bis 23 beantworten lassen:

  • 1. Wie hoch ist die Schadstoffkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 2. Wie hoch ist die Schadstofffracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 3. Welche Schadstoffe kommen an der gegebenen Position im Kompartiment vor?
  • 4. Welches Redox-Milieu herrscht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 5. Wie hoch ist die Reduktionsmittelkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 6. Wie hoch ist die Reduktionsmittelfracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 7. Wie hoch ist die Eisenkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 8. Wie hoch ist die Eisenfracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 9. Wie hoch ist die Sulfidkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 10. Wie hoch ist die Sulfidfracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 11. Wie hoch ist die Sulfatkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 12. Wie hoch ist die Sulfatfracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 13. Wie hoch ist die Oxidationsmittelkonzentration an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 14. Wie hoch ist die Oxidationsmittelfracht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 15. Welches Mikrobenmilieu herrscht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 16. Welche Strömungsrichtung herrscht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 17. Welche Strömungsgeschwindigkeit herrscht an der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 18. Werden die Schadstoffe an der gegebenen Position im Kompartiment abgebaut?
  • 19. Wie schnell werden die Schadstoffe an der gegebenen Position im Kompartiment abgebaut?
  • 20. Kann die Abbaugeschwindigkeit der Schadstoffe an der gegebenen Position im Kompartiment erhöht werden?
  • 21. Wo liegt die Position des Grundwasserspiegels über der gegebenen Position im Kompartiment?
  • 22. Treten Richtungsänderungen des Grundwasserstroms an der gegebenen Position im Kompartiment ein?
  • 23. können die Richtungsänderungen des Grundwasserstroms an der gegebenen Position im Kompartiment mit der Position des Grundwasserspiegels korreliert werden?

Mit den erfindungsgemäßen Modellkompartimenten lassen sich alle Daten, aus denen sich diese Parameter mit hoher Zuverlässigkeit generieren lassen, mit vergleichsweise geringem Aufwand durch gleichförmige Mehrfachprobenahme über einen ausgedehnten Zeitintervall an ausgewählten Positionen in den zu untersuchenden Kompartimenten ermitteln und zwar ohne Störung der physikalisch-chemisch-biologischen Verhältnisse. Die Modellkompartimente werden zur Probenahme in die vorausbestimmte Position des zu untersuchenden Kompartiments eingesetzt und nach einem hinreichenden Zeitintervall entnommen, um die Auswertung der aufgezeichneten Daten bzw. der entnommenen Proben vorzunehmen. Damit ist eine exakte Zustandsbestimmung der untersuchten Kompartimente möglich. Es ist durch geeignete Lichtquellen und optische Sensoren sowie geeignete Datenübermittlungstechnik auch möglich, eine Reihe dieser Daten bereits direkt am Ort der Probenentnahme während des Probenahmeintervalls aufzunehmen und auf diesem Weg nicht nur die optimale Dauer des Probenahmeintervalls zu bestimmen, sondern bereits während der Probenahme tiefgreifende Informationen über den Stoffwechsel an der untersuchten Probenahmeposition des untersuchten Kompartiments zu gewinnen.

In den erfindungsgemäßen Modellkompartimenten ist zum Ansatz gebracht, daß in den natürlichen Kompartimenten Boden, Sediment und Grundwasseraquifer als solchen all jene Bestandteile in der Form von natürlichen Datenträgern enthalten sind, mit Hilfe derer die o.g. Fragen beantwortet werden können. Derartige natürliche Datenträger sind die Kompartiment-Bestandteile A) bis E), auf denen die zur Frage stehenden Parameter eingerägt sind:

  • A) der Gehalt des Kompartiments an hydrophilen mineralischen und lipophilen kohlenstoffhaltigen sorptions-wirksamen Substanzen in stationärer Phase als offenporiges poröses Bett,
  • B) der Gehalt des Kompartiments an festen und gelösten redox-wirksamen und redox-sensitiven mineralischen und kohlenstoffhaltigen Substanzen,
  • C) der Gehalt des Kompartiments an reaktiven Oxidationsmitteln und Reduktionsmitteln in stationärer Phase und in fluider Phase im offenporigen Bett,
  • D) der Gehalt des Kompartiments an beweglichen Mengen xenobiotischer Stoffe in stationärer Phase und in fluider Phase im offenporigen Bett,
  • E) der Gehalt des Kompartiments an beweglichen Mengen lebender und abgestorbener mikrobiologischer Substanz einschließlich jeglicher Exkrete mikrobiologischer Lebewesen in stationärer Phase und in fluider Phase im offenporigen Bett.

Die erfindungsgemäßen Modellkompartimente sind deshalb von vornherein mit den Kompartiment-Festbettbestandteilen A) bis E) ausgestattet oder sie erwerben die ihnen dazu fehlenden Bestandteile im Verlauf der Untersuchung durch Übergang aus dem untersuchten Kompartiment. Während der Untersuchung prägen sich die zur Beantwortung der Fragen 1 bis 23 notwendigen Parameter ablesbar in die Modellkompartimente ein.

Die Kompartiment-Bestandteile A) bis E) sind dazu in dem erfindungsgemäßen Modellkompartiment in geeigneter Weise derart komprimiert, daß sich damit unter Anwendung herkömmlicher chemisch-physikalisch-biologischer Analysentechnik einschließlich optisch-visueller Untersuchung die Fragen 1 bis 23 beantworten lassen.

Dazu ist das erfindungsgemäße Modellkompartiment mit mehreren eingehausten porösen Festbetten ausgestattet, von denen mindestens eins der Gruppe der beweglichen eingehausten Betten mit variabler Topographie zuzurechnen ist, und wobei mindestens zwei Festbetten in ihrer Zusammensetzung voneinander abweichende Wirkstoffbestandteile enthalten. Vorzugsweise enthält das erfindungsgemäße Modellkompartiment mindestens drei eingehauste poröse Festbetten von denen mindestens drei Festbetten in ihrer Zusammensetzung vonein- ander abweichende Stoffbestandteile enthalten, von denen mindestens ein Festbett von einer abgemessenen Menge des am Untersuchungsort vorkommenden Fluids durchströmt wird. Vorzugsweise besteht ein Festbett aus einer Mehrzahl von Unterfestbetten, die wiederum voneinander abweichende Stoffzusammensetzungen haben können, wie dies in Beispiel 1 gezeigt wird.

Die topologischen Eigenschaften der stationären Phasen der Kompartimente Böden, Grundwasseraquifere und Sedimente sind identisch: Es handelt sich jeweils um fraktale poröse offenporige Feststoffe aus einer oder mehreren Klassen der Locker- oder Festgesteine, die von einem strömenden Fluid als instationäre Phase erfüllt sind. Im Zustand der Untersuchung ist das erfindungsgemäße Modellkompartiment daher zumindest bezüglich der topologischen Eigenschaft seiner festen wirksamen Bestandteile identisch mit dem des zu untersuchenden Kompartiments. Das erfindungsgemäße Modellkompartiment ist außerdem von vornherein mit den hydraulischen Eigenschaften gemäß 24 und mit mindestens einer der möglichen Stoff-Eigenschaften gemäß 25 – 30 der zu untersuchenden Kompartimente ausgerüstet:

  • 24. Fluiddurchlässiges Festbett mit hydraulischer Durchlässigkeit. Diese Eigenschaft beinhaltet die Durchlässigkeit für Wasser und Luft.
  • 25. Redox-sensitiver Mineralbestand mit der Eigenschaft B). Die Eigenschaft B) beinhaltet den Mineralbestand enthaltend

    a) die direkt redox-sensitiven Elemente und Stoffe wie z.B. Mangan, Eisen, Schwefel, Huminstoffe, und

    b) die indirekt redox-sensitiven Elemente, wie z.B. Silicium, Tellur, Zinn, Titan, Zirkonium, Seltene Erden, Actiniden, Aluminium, Gallium, Beryllium.
  • 26. Sorptionsaktiver Mineralbestand für lipophile Stoffe mit der Eigenschaft A), z.B. Huminstoffe, Aktivkohle, Eisensulfide.
  • 27. Sorptionsaktiver Mineralbestand für polare Stoffe mit der Eigenschaft A), z.B. Metalloxide, Schichtsilikate, Zeolithe, Huminstoffe.
  • 28. Sorptionsaktiver Mineralbestand für Metallionen mit der Eigenschaft A), z.B. Eisenoxidhydrat, Huminstoffe, Zeolithe, Seifen.
  • 29. Mineralischer Oxidationsmittelbestand mit der Eigenschaft C), z.B. Magnesiumperoxid oder Braunstein/Wasserstoffperoxid (als Sauerstoffgeneratoren), Braunstein, Eisenoxidhydrat, Baryt, permanganathaltiger Baryt.
  • 30. Mineralischer oder organischer Reduktionsmittelbestand mit der Eigenschaft C), z.B. Eisensulfid, Kalkseife, Bleiseife, Eisenseife, Cadmiumseife, Zinkseife, Nickelseife, Kupferseife.

Unter den direkt redox-sensitiven Elementen und Stoffen werden hier solche verstanden, die ihren Redox-Zustand dem gegebenen belebten natürlichen Redox-Milieu anpassen. So kommen anorganisch gebundenes Eisen, Mangan und Schwefel im sulfatreduzierenden Milieu nur als Eisen(II), Mangan(II), Sulfid und Disulfid und Huminstoff mit phenolischen und thiolischen Funktionen vor. Hingegen kommen diese Stoffbestandteile im freien Sauerstoff führenden Milieu nur als Eisen(III), Mangan(IV), Sulfat, und Huminstoff mit chinoiden und disulfidischen Funktionen vor.

Unter den indirekt redox-sensitiven Elementen und Stoffen werden hier solche verstanden, die vielfach ohne Anpassung ihres Redox-Zustand an das gegebene belebte natürliche Redox-Milieu auftreten, deren Löslichkeit aber in der Gegenwart von organischen Stoffen, insbesondere Enzymen und Huminstoffen, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Redox-Milieu starken Schwankungen unterliegt. Hier wurde gefunden, daß insbesondere die Elemente Silicium und Aluminium dieser Gruppe angehören. So wird Kieselsäure im reduzierenden Milieu aus mineralischer Bindung durch Huminstoffe herausgelöst und im oxidierenden Milieu wieder als Kieselsäure freigesetzt. Aluminiumhydroxid hingegen im oxidierenden Milieu in lösliche organische Komplexe überführt, die sowohl im reduzierenden Milieu Aluminiumhydroxid freisetzen können, als auch im oxidierenden Milieu durch oxidativen Abbau Aluminiumhydroxid freisetzen können. In ähnlicher Weise können sich auch viele andere der indirekt redox-sensitiven Elemente verhalten, ohne daß sie dabei ihren jeweiligen eigenen Redox-Status verändern müssen.

Zur Untersuchung mikrobentoxischer Einflüsse und zur Untersuchung der Strömungsrichtung kann das Modellkompartiment mit zusätzlichen Indikatoren aus den Gruppen 31 bis 33 versehen werden.

  • 31. Indikatoren für oxidatives Abbaupotential und/oder der Strömungsrichtung, z.B. Kalkseife, Kalkseife-Kieselgelgemisch, Eisenseife, Eisensulfid, Stahlwolle.
  • 32. Indikatoren für reduktives Abbaupotential und/oder der Strömungsrichtung, z.B. Trinitrotoluol, Tetrachlorethen, Cellulosefasern, Braunstein, Braunstein-Eisenockergemisch, Eisen(III)oxide, Mangan(IV)oxide, Mangan(III)oxide, schwerlösliche Sulfate wie z.B Bariumsulfat und Bleisulfat.
  • 33. Optisch identifizierbare Stromungsrichtungs-Indikatoren, z.B. Methylenblau, Gerbsäuren, Huminsäuren.

Zur geeigneten Erkennung von optisch zu identifizierenden Veränderungen an Modellkompartimenten sind die jeweiligen Indikatoren vorzugsweise auf Trägern appliziert, die einen deutlichen farblichen Kontrast zur Indikatorfarbe bilden. Geeignete Träger-Indikatorkombinationen sind z.B. Eisenocker auf weißem Polyesterfaservlies, Eisenoxidrot auf weißem Polyesterfasergewebe, Baryt auf blau gefärbtem Polyestervlies, bleidotierter Baryt auf weißem weißem Glasfaserpapier, bleidotierter Baryt auf weißem Polyester-Baumwoll-Mischgewebe, Braunstein auf weißem Glasfaserpapier, Braunstein auf weißer Baumwollkordel.

Die Modellkompartimente können ihre Belastung mit den Kontaminanten (34, 35) des zu untersuchenden Kompartiments im Verlauf der Untersuchung in diesen Kompartiments erhalten. Die Modellkompartimente können auch ihre Beladung mit den Mikrobengemeinschaften des Kompartiments (36, 37) ebenfalls im Verlauf der Untersuchung in dem Kompartiment erhalten.

Zusätzlich können Abbaueigenschaften und Abbauprodukte sowie ihre biologische Verträglichkeit durch Dotierung der Modellkompartimente mit den Schadstoffen des Kompartiments (34, 35) bestimmt werden.

  • 34. Belastung mit organischen Schadstoffen, z.B. organische Leitschadstoffe des Kompartiments.
  • 35. Belastung mit anorganischen Schadstoffen, z.B. anorganische Leitschadstoffe des Kompartiments.
  • 36. Bestand an reduktionsmilieu-adaptierten Mikrobengesellschaften, z.B. durch Bestimmung der Auflösung von Baryt oder Cellulose mit Kalkseife.
  • 37. Bestand an oxidationsmilieu-adaptierten Mikrobengesellschaften, z.B. durch Bestimmung der Auflösung von Kalkseife mittels Magnesiumperoxid oder Braunstein/Wasserstoffperoxid als Sauerstoffgeneratoren.

Darüber hinaus erhalten die Modellkompartimente die geeignete Gestaltung und Ausrüstung, um in der jeweils gewählten Meßposition in die sie in geeignet ausgebauten Meßstellen in den zu untersuchenden Kompartimenten abgelassen und positioniert zu werden, um dort die geforderten Aufgaben zu erfüllen und um danach entnommen und zur Ermittlung der gesuchten Parameter ausgewertet zu werden.

Vorzugsweise sind die Modellkompartimente so gestaltet, daß sie in eine Meßstelle mit einer lichten Weite von >45 mm hineinpassen. Die Modellkompartimente enthalten mindestens eine der Eigenschaften 41 und 42 und mindestens eine der Eigenschaften 38 bis 40 und vorzugsweise die Eigenschaft 43.

  • 38. Ein oder mehrere Festbetten aus wirkstoffhaltigen Trägerstoffen und/oder Wirkstoffen, die dadurch ausgezeichnet sind, daß sie der natürlichen waagerechten Fluidströmung durch das Kompartiment, unabhängig aus welcher Richtung der Windrose die Stromlinien verlaufen, einen derart geringen Strömungswiderstand entgegensetzen und daß zumindest ein Anteil des Fluids hindurchströmt, der so groß ist, daß dadurch eine meßbare oder sichtbare Veränderung des Festbetts bzw. der Festbetten herbeigeführt wird.
  • 39. Ein oder mehrere rohrförmige Festbetten aus wirkstoffhaltigen Trägerstoffen und/oder Wirkstoffen, die dadurch ausgezeichnet sind, daß sie in senkrechter Draufsicht waagerecht und parallel zu dem Fluidströmungsfaden ausgerichtet sind, der das Zentrum des Meßorts durchzieht und die dem Fluid einen derart geringen Strömungswiderstand entgegensetzen daß zumindest ein Anteil des Fluids hindurchströmt, der so groß ist, daß dadurch eine meßbare oder sichtbare Veränderung des Festbetts bzw. der Festbetten herbeigeführt wird.
  • 40. Ein oder mehrere rohrförmige Festbetten aus wirkstoffhaltigen Trägerstoffen und/oder Wirkstoffen, die dadurch ausgezeichnet sind, daß sie der natürlichen senkrechten Fluidströmung durch das Kompartiment, unabhängig davon, ob die Stromlinien von oben nach unten verlaufen oder von unten nach oben verlaufen, einen derart geringen Strömungswiderstand entgegensetzen, daß zumindest ein Anteil des Fluids hindurchströmt, der so groß ist, daß dadurch eine meßbare oder sichtbare Veränderung des Festbetts bzw. der Festbetten herbeigeführt wird.
  • 41. Ein oder mehrere bewegliche und/oder feste Betten aus wirkstoffhaltigen Trägerstoffen und/oder Wirkstoffen, die derart angeordnet sind, daß sie gleichmäßig im Verlauf einer vorbestimmten Kontaktzeit mit konstanten bzw. quasikonstanten abgemessenen Mengen je Zeiteinheit mit dem in dem Kompartiment vorliegenden Fluid in Kontakt gebracht werden können.
  • 42. Ein oder mehrere evakuierte Fluidprobenahmehohlgefäße, die gleichmäßig im Verlauf des vorbestimmten Probenahmeintervalls, der mehrere Wochen oder Monate umfassen kann, mit konstanten bzw. quasikonstanten abgemessenen Mengen je Zeiteinheit des in dem Kompartiment vorliegenden Fluids befüllt werden können.
  • 43. Ein Filter zur Abscheidung partikulärer Bestandteile, aus dem abgemessenen Fluidvolumen, das zur Probenahme in ein Hohlgefäß des Modellkompartiments aufgenommen wird.

Der Begriff „wirkstoffhaltige Trägerstoffe und/oder Wirkstoffe" beinhaltet vorzugsweise feste oder lose Sorbensbetten in einer Einhausung, die bei 38 und 39 die horizontale Durchströmung mit dem Fluid, die bei 40 die vertikale Durchströmung mit dem Fluid und die bei 41 den Kontakt und/oder die Durchströmung mit einer abgemessenen Fluidmenge befördern.

Aus der DE 102 04 582 A1 – „ Verfahren zur Bestimmung der anteiligen Bewegungsrichtungen von Fluiden" und aus der DE 102 10 251 A1 – „ Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration in Wasserkörpern", waren bisher Verfahren unter Anwendung von Festbetten bekannt geworden, mit denen diese Parameter im Stoffwechsel der Kompartimente vom Typ Grundwasseraquifer bestimmt werden konnten. Zwar ist in der Veröffentlichung „Verfahren zur Bestimmung der Stoffkonzentration in Wasserkörpern" keine Lehre mitgeteilt worden, wie das evakuierte Grundwasserprobenahmegefäß während einer vorbestimmten Probenahmezeit gleichförmig mit einer abgemessenen Menge des in dem Kompartiment vorliegenden Fluids gefüllt wird. Da derartige Dosieroperationen z.B. mittels angesteuerten Ventilen, Pumpen und/oder anderen Dosiereinrichtungen insbesondere unter Zuhilfenahme von elektronischer Datenverarbeitung Stand der Technik sind, kann diese Art der Operation zur Befüllung von Fluidprobenahmegefäßen aber als bekannt vorausgesetzt werden. Eine solche Methode ist z.B. die Tropfenzählung, die hier als Bestandteil von Beispiel 1 exemplarisch vorgestellt wird.

Erfindungsgemäße wird eine Mehrzahl von Festbetten mit unterschiedlichen Funktionalitäten im Modellkompartiment angeordnet. Jede der unterschiedlichen Festbettfunktionalitäten bildet jeweils eine oder mehrere der für die Parameterbestimmung geeigneten Eigenschaften des zu untersuchenden Kompartiments ab. Damit wird es mit den Modellkompartimenten in bisher nicht erreichter Präzision möglich, die Vielzahl der unter 1 bis 23 aufgelisteten Eigenschaften des Kompartiments abzubilden. Damit wird das Ziel, Zustand und Funktion der Stoffwechselprozesse im jeweiligen Untersuchungs-Kompartiment zu entschlüsseln, zumindest gemäß der Beantwortung der Fragen 1 bis 23, erreicht. Es können aber diese multiplen Informationen nur dann generiert werden, wenn die geeignete Aufteilung der Festbetten auf die Eigenschaften des jeweils zu untersuchenden Kompartiments abgestimmt werden:

Wenn das Fluid in der zur Messung ausgewählten Lokalität im Kompartiment reduzierend ist, soll zumindest ein Anteil der Festbetten des Modellkompartiments oxidierend sein; wenn das Fluid in der zur Messung ausgewählten Lokalität oxidierend ist, soll zumindest ein Anteil der Festbetten des Modellkompartiments reduzierend sein.

Anhand des Beispiels 1 wird exemplarisch beschrieben, wie die komplexen Eigenschaften eines Grundwasseraquifer-Kompartiments mit dem erfindungsgemäßen Modellkompartiment erfolgreich abgebildet werden können. Beispiel 1 beschreibt exemplarisch nur eine von zahlreichen möglichen Varianten des erfindungsgemäßen Modellkompartiments.

Beispiel 1 Voruntersuchung:

Zur Kenntnis des Grundwasser-Redox-Milieus, der Art der Schadstoffbelastung und der geeigneten Länge der Untersuchungsperiode auf Schadstoffe wird über die gesamte Filterrohrstrecke der Meßstelle im Grundwasseraquifer-Kompartiment, Innendurchmesser z.B. 150 mm, zunächst ein mit Braunstein beschichtetes 20 mm breites Synthesetextilband gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster 299 23 893.8 Detektoren zur Wasseruntersuchung, zwischen Meßstellensohle und Grundwasserspiegel aufgespannt. Zusätzlich wird auf der halben Strecke (30 m) zwischen Grundwasserspiegel und Meßstellensohle ein rechteckiger 90 mm mal 200 mm messender aktivkohlehaltiger Papierpassivsammler gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster 299 23 739.7 Passivsammler, zur Schadstoffbestimmung angeordnet. Zusätzlich werden vorzugsweise die Daten über Grundwasserspiegelstand und die Tiefe der Pegelsohle aufgenommen.

Vorzugsweise nach 4 Wochen werden Detektorband und Passivsammler gezogen und ausgewertet. Das Detektoband ist in den oberen zwei Dritteln der Meßstelle unverändert dunkelbraun (Redox-Potential: mangan(II)-oxidierend) geblieben. Das untere Drittel ist schwarz gefärbt (Redox-Potential: sulfat(II)-reduzierend: Ausfällung von FeS); im Übergangsbereich ist eine Bandlänge von ca. einem Meter ocker gefärbt (Redox-Potential: Eisen(II)-oxidierend und mangan(IV)-reduzierend: Ausfällung von FeOOH durch Fe(II)-Oxidation mit MnO2); im Übergangsbereich ocker-schwarz ist ein handbreiter Saum weiß geblieben (Redox-Potential: Eisen(III)-reduzierend, sulfid-oxidierend: Auflösung von FeOOH). Zusätzlich wird der Grundwasserspiegelstand aufgenommen.

Der Passivsammler wird entnommen, feucht wie er ist, in Aluminium-Haushaltsfolie eingeschlagen, sodann in einem Polyethylen-Folienbeutel verpackt per Postbrief an das Analysenlabor verschickt. Dort wird ein Teil des Passivsammlers mit n-Hexan am Soxhlet-Extraktor extrahiert und der Extrakt gaschromatographisch analysiert. Der Passivsammler hat eine Chlorkohlenwasserstoffbeladung von 20 Gewichtsprozent. Als Schadstoff wird ein Gemisch aus ca. 95 % Tetrachlorethen und ca. 5 % Trichlorethen identifiziert. Die Chlorkohlenwasserstoffbeladung liegt weit unterhalb der erwarteten Gleichgewichtsbeladung. Das bedeutet, daß die Untersuchungsperiode von 4 Wochen für die Ermittlung dieser Schadstofffracht nicht zu lang ist. Ein weiterer Teil des Passivsammlers wird mit heißer verdünnter Salzsäure geschüttelt, danach filtriert und das Filtrat auf Schadstoffe aus der Gruppe Schwermetalle und Metalloide untersucht. Als Schadstoff wird Arsen identifiziert. Die Arsenbeladung liegt unter 1 Gewichtsprozent und damit ebenfalls weit unterhalb der Aufnahmegrenze. Das bedeutet, daß die Untersuchungsperiode von 4 Wochen auch für die Ermittlung der Arsenfracht nicht zu lang ist.

Bestimmung der Untersuchungspositionen, an denen die Modellkompartimente (2) angeordnet werden

Zur Untersuchung des Grundwasseraquifers mit den erfindungsgemäßen Modellkompartimenten wird die mangan(II)-oxidierende Position 20 m über der Meßstellensohle (10 m unterhalb des Grundwasserspiegels) und die sulfat(II)-reduzierende Position 1 m über der Meßstellensohle (29 m unterhalb des Grundwasserspiegels) ausgewählt.

Bestimmung der horizontalen und vertikalen Strömungsrichtung in den beiden ausgewählten Untersuchungspositionen

Dies geschieht gemäß DE 102 04 582 A1 – Verfahren zur Bestimmung der anteiligen Bewegungsrichtungen von Fluiden.

Und zwar wird in der oberen Position im oxidierenden Milieu als Indikatorkomponenten im Strömungsdetektor frisch auf den Träger gefälltes Eisensulfid als Wirkstoff eingesetzt. In der unteren Position im reduzierenden Milieu wird als Indikatorkomponente im Strömungsdetektor frisch auf den Träger gefällter Braunstein als Wirkstoffe eingesetzt.

Nach einer Einsatzzeit von 3 Wochen wird an den Untersuchungspositionen in beiden Fällen anhand der Verfärbung (oben: Eisensulfid-schwarz ---> Eisen(III)oxidhydrat-ocker; unten: Braunstein ---> Eisensulfid-schwarz) eindeutig eine horizontale Strömungskomponente von Nord nach Süd und eine vertikale Strömungskomponente von oben nach unten nachgewiesen.

Beschreibung der beiden eingesetzten erfindungsgemäßen Modellkompartimente (2)

Jedes Modellkompartiment verfügt jeweils über

  • a) ein vertikal angeordnetes jeweils zylindrisches aus 15 Unterfestbetten zusammengesetztes starres Festbett (1) („Zylinderfestbett vertikal");
  • b) ein zentral und horizontal angeordnetes zylindrisches aus 15 Unterfestbetten zusammengesetztes starres Festbett (2), das völlig gleichartig wie Festbett (1) aufgebaut ist („Zylinderfestbett horizontal") und das in der 3 separat dargestellt wird;
  • c) ein bewegliches Festbett (3) im evakuierten Gefäß (3.1)

Die Festbetten (1) und (2) sind in der 4 (Draufsicht) und 5 (Schnitt A-B aus 4) gesondert dargestellt. Die Festbetten (1) und (2) sind jeweils eingehaust in ein beidseitig offenes Glasrohr (8) von 200 mm Länge und 40 mm lichter Weite, in das die 4 flexiblen wiederum zusammengesetzten Wickelfestbetten (1.11.4) eingeschoben sind, von denen jedes Wickelfestbett wiederum jeweils aus 5 Wickelabschnittfestbetten (1.1.11.1.5), (1.2.11.2.5), (1.3.11.3.5) und (1.4.11.4.5) besteht, wie aus 5 hervorgeht. Der Durchflußquerschnitt der Wickel liegt bei jeweils ca. 4 cm2. mit dem die Eigenschaft 39 gewährleistet ist. Das Glasrohr (8), sowie alle Unterwickelfestbetten besitzen Markierungen an der oberen Öffnung, die diese als solche kennzeichnet. Beide Modellkompartimente verfügen über einen Sedimentschirm (4), der herabrieselndes Sediment daran hindern soll, in das jeweils oben offene vertikale Zylinderfestbett (1) hineinzufallen. Jedes Modellkompartiment ist an zwei hier nicht abgebildeten Edelstahlseilen fixiert, die gemäß Einrichtung eines Meßstelleneinsatzstutzens bezüglich Lage des Nordpfeils am oberen Meßstellenende positionsfixiert stationierbar sind. Das evakuierte Gefäß (3.1) verfügt an seinem zylindrischen Außenmantel über eine umlaufende Abstandhalterbürste (7) zwecks Zentrierung des Modellkompartiments im Rohr (6) der Meßstelle.

Ebenfalls am zylindrischen Außenmantel (8) des Zylinderfestbetts horizontal (1) befindet sich eine radial umlaufende Abstandhalterbürste (9) zwecks Zentrierung des Zylinderfestbetts horizontal (1) im Filterrohr (6) der Meßstelle. Die Bürste (9) ist in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Ihre Position ist in 2 dargestellt.

Die flexiblen Wickelfestbetten (1.1 bis 1.4) bestehen jeweils aus fünf Festbettbestandteilen, die allesamt eine durchgehende Markierung an ihrer Oberseite enthalten, mit der die Lage jeder Lage im Wickel während der Untersuchung gekennzeichnet ist. Zusätzlich ist jeweils der Wickelanfang gekennzeichnet. Die Wickelfestbetten (1.1 bis 1.4) sind jedes für sich in eine durchsichtige Kunststofffolie (3.3) eingewickelt, die zugleich die Einhausung für jeden Festbettbestandteil darstellt.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.1) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.2) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.3) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.4) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.5) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.1) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das zunächst mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde und dann mit Eisenoxidhydrat-Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet wurde, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.2) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das zunächst mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde und dann mit Eisenoxidhydrat-Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet wurde, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.3) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das zunächst mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde und dann mit Eisenoxidhydrat-Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet wurde, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.4) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.5) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.1) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.2) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.3) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.4) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.5) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.1) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.2) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.3) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.4) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.5) des oberen Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.1) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.2) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.3) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.4) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.1.5) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.1) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.2) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.3) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.4) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.2.5) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.1) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.2) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.3) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.4) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.3.5) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.1) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus schwarz eingefärbtem Polyestertextilgewebe, das mit Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet ist, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.2) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus schwarz eingefärbtem Polyestertextilgewebe, das mit Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet ist, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.3) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus schwarz eingefärbtem Polyestertextilgewebe, das mit Kalkseife-Bariumsulfat-Gemisch beschichtet ist, das aus einer Suspension aus Kernseifenlösung und gefälltem Bariumsulfat mit Gipswasser gefällt wurde.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.4) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Das Wickelabschnittfestbett (1.4.5) des unteren Modellkompartiments ist gewickelt aus einem 40 mm breiten rechteckigen Streifen aus Edelstahldrahtgestrick mit einem gleichartig zugeschnittenen rechteckigen Streifen aus Aktivkohlefaservlies.

Zur Bestimmung der Stoffkonzentrationen im Fluid des Kompartiments gemäß der Fragestellungen 1, 5, 7, 9, 11, 13 und um die Eigenschaft 40 der Modellgrundwasserleiter zu gewährleisten, ist konzentrisch um die vertikal angeordneten Zylinderfestbetten (1) ein toroidförmiger evakuierter Hohlkörper (3.1) aus Edelstahl angeordnet, der zur Bestimmung der Stoffkonzentration dient. Der Hohlkörper (3.1) hat ein Hohlraumvolumen von 2 Litern. Der Hohlkörper (3.1) besitzt an seiner Oberseite eine Leitung (3.7), über die eine hydraulische Kommunikation des Hohlkörperinneren mit dem Grundwasserleiter mittels Absperrventil (3.6), hergestellt werden kann. Die Leitung (3.7) verfügt über ein Partikelfilter (3.5) und ein Absperrventil (3.6), das durch den Tropfenzähler (3.4) angesteuert wird. Durch ein elektrisches Signal von übertage kann die Steuerung des zunächst geschlossenen Ventils (3.6) nach dem Erreichen der vorbestimmten Meßposition aktiviert werden. Je nach gewählter Verweildauer des Modellgrundwasserleiters in der vorbestimmten Meßposition kann die Ventilsteuerung so eingestellt werden, daß nach der jeweils gewählten Tropfenanzahl pro Zeiteinheit im Tropfenzähler (3.4), wie z.B. 3 Tropfen Grundwasserzulauf pro Stunde, die gleichmäßige Probenahme über die gesamte Verweildauer des Modellgrundwasserleiters in der Meßposition ausdehnbar ist. In dem evakuierten Hohlkörper (3.1) sind zwei miteinander verbundene hohle Edelstahlschwimmkörper toroidaler Topologie (5) angeordnet. Die Tori (5) tragen ein an ihrer Unterseite fixiertes bewegliches Sorbensbett (3), das die Form von zahlreich angeordneten flexiblen Sorbensstreifen hat

Erst in dem Moment, wenn das Ventil (3.6) freigegeben wird, wird durch den hydrostatischen Druck der Wasser- und Luftsäule Wasser in den Hohlkörper (3.1) eingepreßt. Dabei hebt der im Hohlkörper (3.1) ansteigende Wasserspiegel (3.8) die Schwimmkörper (5) an und zieht dabei das bewegliche Sorbensbett (3) mit nach oben. Dabei entfalten sich die Sorbensstreifen (3).

Die Sorbensstreifen des beweglichen Sorbensbetts (3) am oberen Modellkompartiment bestehen aus

  • a) aus Aktivkohlefaservlies,
  • b) Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.
  • c) Streifen aus Polyestertextilgewebe mit schwarzer Eisensulfidbeschichtung, die durch Schwefelwasserstoffbehandlung einer hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefällten Eisen(III)oxidhydratbeschichtung erzeugt wurde.

Die Sorbensstreifen des beweglichen Sorbensbetts (3) am unteren Modellkompartiment bestehen aus

  • a) aus Aktivkohlefaservlies,
  • b) aus Polyestertextilgewebe, das mit reduktiv aus Kaliumpermanganatlösung gefälltem Braunstein beschichtet wurde,
  • c) Streifen aus Polyestertextilgewebe, das mit hydrolytisch aus Eisen(III)chloridlösung gefälltem Eisen(III)oxidhydrat beschichtet wurde.

Beschreibung der Untersuchungsdurchführung mit den Modellkompartimenten (2) Einsatz der Modellkompartimente in die Meßstelle

Bevorzugt in einem Zeitabschnitt, in dem der Grundwasserspiegelstand ähnlich dem in der Voruntersuchung liegt, werden die Modellkompartimente (2) mittels Abwickeln der Halteseile von einer Trommel auf die vorbestimmten Positionen in der Meßstelle unter Anwendung des Meßstelleneinsatzstutzens, der gleichzeitig als Führungs- und Trageinsatz wirkt, der nach dem Nordpfeil ausgerichtet wird, abgelassen. Das Ablassen geschieht vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von <2m/min, um die Mobilisierung des Sediments an den Filterrohren zu minimieren. Wenn das jeweilige Modellkompartiment (2) in der vorbestimmten Position ist, wird die Abstandhalterbürste (7) durch Hochziehen einer nicht dargestellten Zugleine abgespreizt. Danach kann durch ein elektrisches Signal von übertage her die Steuerung des zunächst geschlossenen Ventils (3.6) mittels des Tropfenzählers (3.4) nach dem Erreichen der vorbestimmten Meßposition aktiviert werden Vorzugsweise geschieht letzteres erst 1 Tag nach der Positionierung der Modellkompartimente.

Entnahme und Untersuchungen

Nach 4 Wochen werden die Modellkompartimente (2) zur Auswertung der gesammelten Daten aus ihren Positionen im Grundwasseraquifer gezogen zur Auswertung der in den Sorbensbetten gesammelten Daten; insbesondere unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen vertikalen und horizontalen Ausrichtung in der innegehabten Position.

Untersuchungen an den Modellkompartimenten

Dazu wird zunächst zur Vermeidung von Sauerstoffzutritt in den Behälter 3.1 das Ventil (3.6) verschlossen. Die Festbettfilter 1 und 2 werden zunächst mit reinem Stickstoff gespült und und unter Stickstoff beidseitig mit Gummikappen dicht verschlossen.

Nach diesen Vorbereitungen können alle erforderlichen Untersuchungen durchgeführt werden.

Untersuchungen an den Modellkompartimenten zur Stoff-Konzentrationsbestimmung (2) Untersuchung der Sorbensstreifen des beweglichen Sorbensbetts (3) vom oberen Modellkompartiment

Die Aktivkohlevliesstreifen werden mit organischem Lösungsmittel extrahiert und die Gehalte an Chlorkohlenwasserstoffen nach bekannten Methoden quantitativ im Extrakt bestimmt. Hieraus wird der Chlorkohlenwasserstoffgehalt im untersuchten Wasser bestimmt.

Eisenocker wird von den Stoffstreifen mit Säure abgelöst und aus der Lösung Arsen nach bekannten Methoden bestimmt. Hieraus wird der Arsengehalt im untersuchten Wasser bestimmt.

Elementarschwefel wird aus den mit Eisensulfid beschichteten Stoffstreifen mit organischen Lösungsmitteln extrahiert und daraus Schwefel nach bekannten Methoden quantitativ im Extrakt bestimmt. Elementarschwefel entsteht bei der Oxidation von Eisensulfid bei Eisensulfidüberschuß als Hauptprodukt. Der gebildete Elementarschwefel ist dem Sauerstoffgehalt des Grundwassers äquivalent. Entsprechend wird daraus der Arsengehalt im untersuchten Wasser bestimmt.

Untersuchung der Sorbensstreifen des beweglichen Sorbensbetts (3) vom unteren Modellkompartiment
  • a) Die Aktivkohlevliesstreifen werden mit organischem Lösungsmittel extrahiert und die Gehalte an Chlorkohlenwasserstoffen nach bekannten Methoden quantitativ im Extrakt bestimmt. Hieraus wird der Chlorkohlenwasserstoffgehalt im untersuchten Wasser bestimmt.
  • b) Aus den teilweise zu Eisensulfid reduzierten Eisenockerstreifen wird nach bekannten Methoden Arsen und Sulfid-Schwefel bestimmt.
  • c) Aus den teilweise zu Eisenocker und Eisensulfid reduzierten Braunsteinstreifen wird nach bekannten Methoden Eisen, Arsen und Sulfid-Schwefel bestimmt. Unter Addition der gemäß Untersuchung b) ermittelten Daten für Arsen und Sulfid-Schwefel kann der Gehalt von Reduktionsmittel, Arsen und Eisen im untersuchten Wasser bestimmt werden.
Untersuchung der Festbettbestandteile des horizontalen Zyinderfestbetts (2) und des vertikalen Zylinderfestbetts (1) vom oberen Modellkompartiment

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Festbettbestandteile mit der niedrigeren Endzahl näher dem Festbetteingang (norden oder oben) und die mit der höheren Endzahl näher dem Festbettausgang (süden oder unten) angeordnet sind.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.1

Diese enthalten allesamt das Sorbens Eisen(III)oxidhydrat zur Arsen-Sorption. Hierin werden nach bekannten Methoden der Arsengehalt bestimmt. Der dem Festbettausgang nächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen Arsendurchbruch gekommen ist.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.2

Hier werden nur die beiden im Durchfluß nach dem Eisen(III)oxidhydrat-Kalkseife-Baryt-Sorbens angeordneten Aktivkohlesorbens-Festbettbestandteile auf CKW-Gehalt untersucht. Wenn sich die CKW-Zusammensetzung hier zugunsten der wasserstoffreicheren CKW-Fraktionen im Vergleich zu 1.5 verändert hat, zeigt dies an, daß das Kompartiment über eine geeignete anaerobe Mikrobenpopulation für den anaeroben CKW-Abbau verfügt. Die wirksamen Mikroben können auf den (III)oxidhydrat-Kalkseife-Baryt-Sorbens-Festbetten untersucht werden. Überdies zeigt eine Schwarzfärbung des zuvor weißen Eisen(III)oxidhydrat-Kalkseife-Baryt-Sorbens die mikrobielle Tätigkeit sulfat- und methanreduzierender Mikroben an, die für den CKW-Abbau unabdingbar sind.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.3

Diese enthalten allesamt das Sorbens Aktivkohle zur CKW-Sorption. Hierin werden nach bekannten Methoden der CKW-Gehalt bestimmt. Der dem Festbettausgang nächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen CKW-Durchbruch gekommen ist.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.4

Diese enthalten allesamt das Sorbens Eisensulfid zur Sauerstoff- und Nitrat-Sorption. Hiervon wird nach bekannten Methoden der Schwefel-Gehalt bestimmt. Durch die Oxidation zu löslichem Sulfat wird der im FeS gebundene Schwefel ausgewaschen. Der dem Festbettausgang nächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen Oxidationsmittel-Durchbruch gekommen ist.

Untersuchung der Festbettbestandteile des horizontalen Zylinderfestbetts (2) und des vertikalen Zylinderfestbetts (1) vom unteren Modellkompartiment

Hierbei ist auch zu berücksichtigen, daß die Festbettbestandteile mit der niedrigeren Endzahl näher dem Festbetteingang (norden oder oben) und die mit der höheren Endzahl näher dem Festbettausgang (süden oder unten) angeordnet sind.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.1

Diese enthalten allesamt das Sorbens Eisen(III)oxidhydrat zur Arsen-Sorption. Hierin wird nach bekannten Methoden der Arsengehalt bestimmt. Der dem Festbettausgang zunächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen Arsendurchbruch gekommen ist.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.2

Diese enthalten allesamt das Sorbens Braunstein zur Umsetzung der Reduktionsmittel. Hierin werden nach bekannten Methoden Mangan-Gehalt bestimmt. Durch die Reduktion zu löslichem Mangan(II) wird das im Braunstein gebundene Mangan ausgewaschen. Der dem Festbettausgang nächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen Reduktionsmittel-Durchbruch gekommen ist.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.3

Diese enthalten allesamt das Sorbens Aktivkohle zur CKW-Sorption. Hierin werden nach bekannten Methoden der CKW-Gehalt bestimmt. Der dem Festbettausgang nächste Festbettbestandteil wird separat untersucht, um sicher zu gehen, daß es nicht zu einem wesentlichen CKW-Durchbruch gekommen ist.

Festbettbestandteile des Wickelfestbetts 1.4

Hier werden nur die beiden im Durchfluß nach dem Kalkseife-Baryt-Sorbens angeordneten Aktivkohlesorbens-Festbettbestandteile auf CKW-Gehalt untersucht. Wenn sich die CKW-Zusammensetzung im Vergleich mit dem benachbarten Wickelfestbett 1.3 hier noch weiter zugunsten der wasserstoffreicheren CKW-Fraktionen verändert hat, zeigt dies an, daß das Kompartiment sowohl über eine geeignete anaerobe Mikrobenpopulation für den anaeroben CKW-Abbau verfügt und darüber hinaus der CKW-Abbau durch weitere Reduktionsmittelzugabe noch verbessern läßt. Die wirksamen Mikroben können auf den Kalkseife-Baryt-Sorbens-Festbetten untersucht werden. Überdies zeigt eine Dunkelfärbung des zuvor weißen Kalkseife-Baryt-Sorbens die mikrobielle Tätigkeit sulfat- und methanreduzierender Mikroben an, die für den CKW-Abbau unabdingbar sind.

Gemäß der mit den beweglichen Festbetten mit der abgemessenen Grundwassermenge gemessenen Stoff-Konzentrationen und der Beladungen der Zylinderfestbetten sowie dem wirksamen Durchtrittsquerschnitt der Zylinderfestbetten läßt sich die vertikalen und horizontalen Grundwasserfließgeschwindigkeitsanteile genau bestimmen. Ebenso lassen sich die Frachten der einzelnen Stoffe nämlich CKW, CKW-Abbauprodukte, Summe Oxidationsmittel: Sauerstoff und Nitrat, Summe Reduktionsmittel, Eisen und Schwefelwasserstoff exakt bestimmen. Zur Beantwortung der Frage 19 kann dann beantwortet werden, nachdem der Grundwasseraquifer im gesamten Fahnenbereich in der gleichen Form mit den Modellkompartimenten untersucht worden ist. Die Fragen 22 und 23, die sich besonders in der Nähe von Grundwasserentnahmestellen relevant sind, können erst dann beantwortet werden, wenn die Auswertung der Untersuchungen vorliegt, die bei verschiedenen Grundwasserständen durchgeführt worden sind.

Anstelle der in Beispiel 1 verwendeten Modellkompartimente, die überwiegend faserhaltige Porösstoffe enthalten, lassen sich auch Bestandteile oder Trägermaterialien für Oxidationsmittel, Reduktionsmittel und Indikatoren einsetzen, die den natürlichen Gesteinen nach Mineralbestand und Porosität noch näher kommen, wie z.B. Sand, Gesteinsmehl, Erde, Gesteinssplitt, Glasmehl, Glassplitt, Sinterglas, Tuff, offenporiger Glasschaum, offenporiger Kunststoffschaum.

In besonderen Situationen kann es angezeigt sein, den Modellgrundwasserleiter aus dem gleichen Gestein herzustellen, aus dem der Grundwasserleiter besteht. Dies kann z.B. die Sandfraktion eines Lockergestein-Grundwasserleiters oder das zu Feinsplitt zerkleinerte Festgestein eines Kluftgrundwasserleiters sein.

Die Eigenschaften der ausgewählten Materialien, aus denen die Modellgrundwasserleiter bestehen und die weitgehend geeigneten Eigenschaften von Bestandteilen des Grundwasserleiters entsprechen oder nahekommen, in den die Modellgrundwasserleiter eingesetzt werden, sind z.B. chemisch inert, chemisch reaktiv, biologisch inert, essentielle Elemente enthaltend, physikalisch reaktiv, optisch reaktiv.

Bevorzugte Materialien, die in den Modellgrundwasserleitern enthalten sein können, sind synthetische Fasern, gemischte Fasern, Glasfasern, Naturfasern, Keramikfasern, Kohlenstofffasern. Die Modellgrundwasserleiter können als solche oder mit einer reaktiven Beschichtung oder Imprägnation versehen, eingesetzt werden. Typische Beschichtungen sind z.B. Metalloxide, Mischoxide, Metalloidoxide, Nichtmetalloxide, Metallsulfide, Mischsulfide, Aktivkohle, Huminstoffe, Fettsäuren, Seifen. Besonders bevorzugte Oxide und Mischoxide sind diejenigen, in denen enthalten ist eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Vanadium, Molybdän, Zirkonium, Mangan, Eisen, Barium, Blei, Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff. Besonders bevorzugte Sulfide und Mischsulfide sind diejenigen, in denen enthalten ist eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Eisen und Kupfer. Besonders bevorzugte Huminstoffe sind diejenigen, die aus Braunkohle gewonnen werden. Besonders bevorzugte Fettsäuren sind die Palmitinsäure und die Stearinsäure. Besonders bevorzugte Seifen enthalten ein oder mehrere Salze der Palmitinsäure und/oder Stearinsäure mit einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe Eisen, Erdalkalimetalle, Aluminium.

Der Modellgrundwasserleiter wird vorzugsweise so gewählt, daß sich möglichst alle bedeutsamen Parameter der gleichförmig oder mehr oder weniger unterschiedlich konditionierten Grundwassersträhnen im Grundwasserleiter in geeigneter Weise auf dem Modellgrundwasserleiter einprägen kann. Diese Prägung des Modellgrundwasserleiters ist vorzugsweise eine Veränderung seiner Substanz oder seiner inneren und/oder äußeren Oberfläche, die sich mindestens in einer der Formen chemisch-physikalisch meßbare Veränderung, fühlbare Veränderung, riechbare Veränderung und sichtbare Veränderung bemerkbar macht. Aber auch rein biologische und rein physikalische Parameter, wie z.B. die Besiedlung des Modellkompartimenten mit Mikroben, und die Belegung mit Sediment, die optisch visuell oder mikroskopisch erkennbar ist, können von Bedeutung sein.

Nachfolgend werden auch die Einsatzmöglichkeiten verschiedener sorptionsaktiver Modellkompartiment-Bestandteile bei der Überwachung von Sanierungsmaßnahmen am Grundwasseraquifer beispielhaft aufgezeigt:

Beispiel 2: Sanierung eines Grundwasseraquifers durch Anreicherung mit Huminstoffen

Einspülung von gelöstem Natriumhuminat in den Grundwasserleiter, das sich von der Infiltrationsstelle aus in den Grundwasserleiter und in die darin angeordneten Modellgrundwasserleiter ausbreitet. Als besonders geeigneter Modellkompartiment-Bestandteil ausgewählt wird hierfür unter anderem ein Textilgewebeband aus Polyestergarn, das mit Aluminiumhydroxid beschichtet ist. Die Aluminiumhydroxidbeschichtung sorbiert Huminstoff und färbt sich dabei braun. Der Grundwasserleiter wird ca. 1 Woche mit Alkalihuminatlösung durch Grundwasserinfiltration und Grundwasserextraktion behandelt. Danach werden die Modellgrundwasserleiter gezogen und untersucht. Analytisch oder auch optisch visuell an der Farbtiefe, läßt sich die erreichte Verteilung des Alkalihuminats im jeweilig untersuchten Bereich des Grundwasserleiter ablesen.

Zur Fixierung des Huminstoffs wird anschließend gelöstes Calciumchlorid in den mit Natriumhuminat versetzten Grundwasserleiter eingespült. Die Calciumchloridlösung breitet sich von der Infiltrationsstelle aus in den Grundwasserleiter und in die darin angeordneten Modellgrundwasserleiter aus. Als geeigneter Modellkompartiment-Bestandteil ausgewählt wird hierfür Glasfaser in Strangform, die unbeschichtet sind. Durch die Calciumchloridlösung, die sich in Grundwasserleiter und Modellgrundwasserleiter ausbreitet, wird unlösliches Calciumhuminat ausgefällt und setzt sich dabei auf dem Grundwasserleiter und auf dem Modellgrundwasserleiter als braune Sedimentflöckchen ab. Der Grundwasserleiter wird ca. 1 Woche mit Calciumchloridlösung durch Grundwasserinfiltration und Grundwasserextraktion behandelt. Danach werden die Modellgrundwasserleiter gezogen und untersucht. Analytisch oder auch optisch visuell an der Farbtiefe, läßt sich die erreichte Verteilung der Calciumhuminatfällung im jeweilig untersuchten Bereich des Grundwasserleiters ablesen.

Beispiel 3 Sanierung eines Grundwasseraquifers durch Anreicherung mit Kalkseife

Die Zusammensetzung der Modellkompartiment-Betten wird dazu ergänzt um jeweils drei Modellkompartiment-Bestandteile pro Grundwassermeßstelle. Modellkompartiment-Bestandteil 1 enthält Textilvlies-Band aus Glasfasern, die mit Braunstein beschichtet sind. Modellkompartiment-Bestandteil 2 besteht aus einem Textilvlies-Band aus unbeschichteten Glasfasern. Modellkompartiment-Bestandteil 3 besteht aus einem Textilgewebeband aus unbeschichtetem Baumwoll-Polyesterfaser-Mischgewebe. Es wird ein Gemisch in den Grundwasserleiter aus Natriumstearatlösung und Natriumhuminatlösung eingespült, das sich von der Infiltrationsstelle aus in den Grundwasserleiter und in die darin angeordneten Modellkompartiment-Bestandteil ausbreitet. Das calciumsulfathaltige Grundwasser fällt aus dem Lösungsgemisch Kalkseife-Calciumhuminat-Flöckchen-Gemisch, das als sichtbarer graubrauner Belag im Porengefüge von Grundwasserleiter und besonders gut sichtbar in Modellkompartiment-Bestandteil 2 verbleibt. Der biologische Abbau der Kalkseife wiederum setzt alsbald ein, zehrt zunächst den freien Sauerstoff und beginnt dann, Eisen(III) zu Eisen(II) zu reduzieren, schließlich wird Sulfat zu Sulfid reduziert und schließlich gelangt auch die Cellulose zum Abbau. Der Grundwasserleiter wird ca. 1 Woche mit dem Lösungsgemisch durch Grundwasserinfiltration und Grundwasserextraktion behandelt. Die Modellkompartiment-Bestandteile werden im wöchentlichen Rhythmus untersucht und danach wieder in die zuvor innegehabten Positionen in den Meßstellen eingesetzt. Nach 4 Wochen beginnt der braunsteinhaltige Modellkompartiment-Bestandteil 1 sich zunächst ockerfarbig und danach innerhalb einer weiteren Woche anthrazitfarbig grau zu verfärben. Aus dem Lösungsgemisch, das sich im Grundwasserleiter ausbreitet, ist unlösliches Calciumhuminat-Calciumstearatgemisch ausgefällt worden und hat den Modellkompartiment-Bestandteil 2 dabei beigebraun gefärbt. Der unbeschichtete Modellkompartiment-Bestandteil aus Baumwolle hat nach dieser Zeit begonnen, sich an einigen Stellen dunkel zu verfärben und beginnt wenige Tage später, sich an diesen Stellen unter Einwirkung methanogener Mikroben zu zersetzen. Optisch visuell an Farbe und Zersetzungsgrad läßt sich die zu dem jeweiligen Zeitpunkt erreichte Verteilung der Kalkseife- und Calciumhuminatfällung sowie die dadurch ausgelöste anaerobe Mikrobenaktivität somit im jeweilig untersuchten Teufenbereich des Grundwasserleiters am Zustand der Modellkompartiment-Bestandteil ablesen.

Beispiel 4: Sanierung eines Grundwasseraquifers durch Anreicherung mit Kalkseife

In dem feinklüftigen kavernösen Kluftgrundwasserleiter aus tonig-sandigem gipshaltigem Sediment des Röt befindet sich eine stationäre Tetrachlorethen-Fahne, deren Zunge bis in den Vorfluter hineinreicht. Durch Anreicherung des Grundwasserleiters mit Calciumstearat und Calciumhuminat soll eine reduzierende Barriere errichtet werden, mit der durch reduktive Mineralisierung des Tetrachlorethen-Halogens zu Chlorid die Belastung des Vorfluters durch die Grundwasserkontamination abgestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird der Grundwasserleiter mit einer verdünnten Lösung aus Natriumhuminat und Natriumstearat im Spülverfahren angereichert. Durch den Gipsgehalt des Grundwassers werden die unlöslichen Calciumsalze der Huminsäure und Stearinsäure als Gemisch ausgefällt, und schlagen sich an der Gesteinsoberfläche der Kluft- und Kavernenwände nieder.

Zur Überprüfung der Wirksamkeit des gewählten Verfahrens werden vor Beginn der Maßnahme vier verschiedene Modellkompartiment-Bestandteile hergestellt. Dies sind Braunstein auf weißem Polyestervlies, Eisenocker auf weißem Polyestervlies und Bariumsulfat auf schwarzem Polyestervlies. Ein weiterer Modellkompartiment- Bestandteil besteht aus der Siebfraktion 1,5 mm bis 2 mm des zerkleinerten Kluftgesteins aus dem Grundwasserleiter. Die damit ausgerüsteten Modellkompartimente werden jeweils in drei abstromigen Grundwassermeßstellen unterhalb der geplanten Einleitung für die Grundwasserleiter-Behandlung eingesetzt.

Das Modellkompartiment wird vor Beginn der technischen Maßnnahme in den drei bestehende Grundwassermeßstellen im sauerstoffführenden Grundwasserabstrom der geplanten Injektionsstelle der Lösung aus Natriumhuminat und Natriumstearat für die Dauer von 4 Wochen eingesetzt. Nach dieser Einsatzzeit sind die Modellkompartiment-Bestandteile optisch visuell unverändert.

Das Modellkompartiment wird sogleich wieder eingesetzt. Danach wird 4 Wochen lang ein Lösungsgemisch aus Natriumhuminat und Natriumstearat in den Grundwasserleiter eingespült. Nach diesem Zeitraum ist der gesamte Grundwasserleiterquerschnitt im Bereich der Tetrachlorethenfahne durch die Fällung der Stearat- und Huminatsalze des Calciums erfaßt worden. Die Untersuchung des Kluftgesteins-Modellkompartiment-Bestandteils zeigte, daß die Gesteinsoberfläche etwa mit 1 bis 10 g/m2 Stearinsäure als Stearat belegt ist. Die Verfärbung der mit Braunstein und Eisenocker belegten Träger nach weiß und die teilweise Verfärbung der mit Baryt belegten Träger nach blau zeigt überdies, daß der bakterielle Stearatabbau bereits eingesetzt hat und die notwendige Absenkung des Redox-Potentials, die zum Abbau der Chlorkohlenwasserstoffe erforderlich ist, bereits eingesetzt hat.

Tabelle 1
Bezugszeichenliste

Anspruch[de]
  1. Modellkompartiment zur gleichzeitigen Mehrfachprobenentahme aus der Fluidphase eines Kompartiments aus den Gruppen Grundwasseraquifere, Erdböden, Sedimente und Oberflächengewässer zwecks Bestimmung der Stoffkonzentration mindestens eines gelösten Stoffs und/oder zwecks Bestimmung des Stoffgehalts von mindestens einem Stoff in der fluidgetragenen Partikelphase und zwecks Bestimmung mindestens eines weiteren Zustandsparameters aus der Parametergruppe Strömungsgeschwindigkeit der horizontalen Fluidströmungskomponente, Strömungsgeschwindigkeit der vertikalen Fluidströmungskomponente, Redox-Bereich, Stofffracht, Partikelfracht, Enzymfracht, Mikrobenpopulation, Metazoenpopulation in einer vorbestimmten Tiefenlage an einem vorbestimmten Untersuchungsort, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Mehrfachprobenentahme gleichförmig über einen Zeitintervall ausgedehnt ist, der mindestens eine Stunde und höchstens 1 Jahr beträgt,

    daß das Modellkompartiment über mindestens einen Bestandteil aus den Gruppen A) bis E) verfügt

    A) sorptionswirksame Substanzen aus der Gruppe der hydrophilen Stoffe und/oder sorptionswirksame Substanzen aus der Gruppe der lipophilen Stoffe,

    B) Substanzen aus der Gruppe der festen und der gelösten direkt-redox-sensitiven mineralischen und kohlenstoffhaltigen Stoffe und Substanzen aus der Gruppe der festen und der gelösten indirekt-redox-sensitiven mineralischen und kohlenstoffhaltigen Stoffe,

    C) Substanzen aus der Gruppe der Oxidationsmittel und Substanzen aus der Gruppe der Reduktionsmittel

    D) xenobiotische Stoffe, die sowohl in der fluiden Phase als auch an der stationären Phase vorkommen,

    E) in der fluiden Phase und/oder in der stationären Phase vorkommende lebende und/oder abgestorbene mikrobiologische Substanz,

    daß mindestens einer der Bestandteile A) bis E) als solcher und/oder auf festen Trägern angeordnet in einer ausgewählten Anordnung in der Form von mindestens zwei hydraulisch leitfähigen eingehausten Betten angeordnet ist, von denen mindestens zwei Betten eine voneinander abweichende Stoffzusammensetzung haben,

    daß die ggf. vorhandenen Bestandteile D) bis E) entweder von vorneherein in dem Modellkompartiment vorhanden sind, und/oder daß die Bestandteile D) bis E) sich während des Probenahmeintervalls aus dem zu untersuchenden Kompartiment zumindest in einem der Betten anreichern,

    daß das Modellkompartiment über mindestens ein Festbett verfügt, das während des Probenahmeintervalls mit einer abgemessenen Fluidmenge in Kontakt gebracht wird.
  2. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Festbetten des Modellkompartiments zumindest zwei Festbetten über eine konstante Topographie verfügen und daß zumindest ein Festbett in der Form eines beweglichen Festbetts vorliegt, dessen Topographie während des Probenahmeintervalls inkonstant ist.
  3. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der darin enthaltenen Festbetten über chemische Funktionen an der Oberfläche seines Inhalts verfügt, die identisch mit chemischen Funktionen sind, die an der Oberfläche des Kompartiments vorkommen, in das der Modellgrundwasserleiter eingeführt wird.
  4. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile seiner Festbetten über mindestens eine der Eigenschaften e) bis h) verfügen, die denen des natürlichen Grundwasseraquifer-Kompartiments nahe kommen, nämlich,

    e) daß die Festbetten offenporigen Porösstoff enthalten,

    f) daß die Festbetten über ein Porensystem verfügen, dessen Poren in dem überwiegenden Anteil seines Porenvolumens vielfältig untereinander kommunizieren,

    g) daß der überwiegende Anteil des Porensystems der Festbetten während der Anwendung des Modellkompartiments mit Flüssigkeit und/oder Gas erfüllt ist,

    h) daß das Modellkompartiment, das im Einwirkungsbereich xenobiotischer Stoffe auf den Grundwasserleiter angeordnet ist, an den Porenwänden seiner Festbetten mindestens eine der Veränderungen erfährt, die einer jener Veränderungen entspricht, oder die einer jener Veränderung nahekommt, oder die jene Veränderungen wiederspiegelt, der die Bestandteile des untersuchten Grundwasserleiters ebenfalls unterworfen sind,

    i) daß das Modellkompartiment, das im Einwirkungsbereich von technischen Maßnahmen zur Schadstofffracht-Minderung auf den Grundwasserleiter angeordnet ist, an den Porenwänden seiner Festbetten mindestens eine der Veränderungen erfährt, die einer jener Veränderungen entspricht, oder die einer jener Veränderungen nahekommt, oder die jene Veränderung wiederspiegelt, der die Bestandteile des untersuchten Grundwasserleiters ebenfalls unterworfen sind,

    j) daß das Modellkompartiment über mindestens ein Probenahmegefäß verfügt, das andauernd oder intermittierend während des Probenahmeintervalls mit dem Kompartiment hydraulisch kommunizierend verbunden ist und daß sich der Inhalt des Probenahmegefäßes während des Probenahmeintervalls unter einem Druck befindet, der geringer ist als der Druck, der am Untersuchungsort herrscht.
  5. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile derart ausgewählt sind, daß zumindest ein Festbettbestandteil während der Kompartimentuntersuchung mindestens eine Veränderung erfährt, die einen oder mehrere Parameter aus den Gruppen der physikalisch meßbaren, der chemisch analysierbaren, der mit biologischen Methoden analysierbaren, der mit den menschlichen Sinnen erkennbaren und der mikroskopisch sichtbaren Phänomene umfaßt.
  6. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile ihrer Bestandteile ausgewählt sind aus einem oder mehreren der Materialien aus den Stoffgruppen enthaltend direkt redox-sensitive Elemente und Stoffe und/oder aus einer oder mehreren der Materialien aus den Stoffgruppen enthaltend indirekt redox-sensitive Elemente und Stoffe.
  7. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile ausgewählt sind aus einer oder mehreren der Materialien aus den Stoffgruppen Porösstoffe Sand, Gesteinsmehl, Ton, natürliche oder künstliche Erdfarbpigmente, Eisen, Eisen enthaltende Oxide, Eisenhydroxid, Eisenoxidhydrate, Mangan, Mangan enthaltende Oxide, Silicium, Kieselsäure, Kondensate der Kieselsäure, Silikate, Aluminium, Aluminiumhydroxid, Aluminiumoxidhydrate, Tonmineralien, Titan, Titansäure, Kondensate der Titansäure, zirkoniumhaltige Stoffe, zinnhaltige Stoffe, Stoffe enthaltend seltene Erden, Stoffe enthaltend Actiniden, Schwefel, schwerlösliche Verbindungen des Schwefels, Bariumsulfat, Eisensulfid, Eisendisulfid, natürliche oder künstliche Mineralstoffe, natürliche oder künstliche Huminstoffe, Aktivkohlefolien, Aktivkohlepulver, Gesteinssplitt, Glasmehl, Glassplitt, Glasfaserhäcksel, Mikroglasfaser, Sinterkeramik, Sinterglas, Tuff, Papier, Vlies, Vliesband, Textil, Textilband, offenporiger Glasschaum, offenporiger Kunststoffschaum, Faden, Faserbündel, Fadenbündel, Kordel, Gestrick, Cellulosefaser, Kunstharzfaser, Polyesterfaser, Polyamidfaser, Polyacrylatfaser, Kohlenstofffaser, Aktivkohlefaser, Polyolefinfaser.
  8. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile ausgewählt sind aus einer oder mehreren der Materialien mit den Eigenschaften chemisch inert, chemisch reaktiv, biologisch inert, essentielle Elemente enthaltend, physikalisch reaktiv, optisch reaktiv.
  9. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile ausgewählt sind aus einer oder mehreren der Fasermaterialien aus den Gruppen der synthetischen Fasern, der gemischten Fasern, der Glasfasern, der Naturfasern, der Keramikfasern, der Kohlenstofffasern, der Aktivkohlenstofffasern.
  10. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile zumindest einen Stoff aus der Gruppe der Metalloxide, der Mischoxide, der metalloidhaltigen Oxide, der Nichtmetalloxide, der Metallsulfide, der Mischsulfide, der metalloidhaltigen Sulfide, der Aktivkohle, der Huminstoffe, der Fettsäuren, der Seifen enthalten.
  11. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile zumindest einen Stoff aus der Gruppe der Oxide und Mischoxide enthalten, die mindestens ein Element aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Zirkonium, Titan, Zinn, Mangan, Eisen, Barium, Blei, Schwefel, Kohlenstoff, Wasserstoff enthalten.
  12. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile zumindest einen Stoff aus der Gruppe der Sulfide, der Disulfide, der gemischten Sulfide, und der gemischten Disulfide enthalten.
  13. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile zumindest einen Stoff aus der Gruppe Palmitinsäure und Stearinsäure und/oder Salzen dieser Säuren enthalten.
  14. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Anteile der Festbettbestandteile zumindest einen Stoff aus der Gruppe Kalkseifen, Eisenseifen, Erdalkalimetallseifen, Aluminiumseifen enthalten.
  15. Modellkompartiment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festbettbestandteile Partikel des Gesteins oder der Gesteine enthalten, aus dem der Grundwasserleiter besteht.
  16. Verfahren zur Untersuchung von Grundwasseraquifer-Kompartimenten mit Modellkompartimenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung in Grundwassermeßstellen durchgeführt wird.
  17. Verfahren zur Untersuchung von Grundwasseraquifer-Kompartimenten mit Modellkomparimenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Untersuchungsposition und der Festbettzusammensetzung die vertikale Verteilung der Redox-Milieuzonierung mit Redox-Detektorbändern bestimmt wird.
  18. Verfahren zur Untersuchung von Grundwasseraquifer-Kompartimenten mit Modellkompartimenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Untersuchungsposition und der Festbettzusammensetzung die vertikale Verteilung der Schadstoff-Milieuzonierung mit Schadstoff-Passivsammlern bestimmt wird.
  19. Verfahren zur Untersuchung von Grundwasseraquifer-Kompartimenten mit Modellkompartimenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der der Festbettanordnung die Richtung des Grundwasserstroms an den Untersuchungspositionen mit Detektoren zur Bestimmung der horizontalen und der vertikalen Grundwasserstromrichtung bestimmt wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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