Pneumatische Untersuchungen und Feldversuche

Vor Ort Messungen sind zwar über Personalaufwand und z. B. einen Meßwagen anfangs teu-er, rechnen sich jedoch bald über hohe Probendurchsätze und vor allem durch die Möglich-keit, schnelle Entscheidungen treffen zu können. Begleitende Messungen der physikalischen Wasserparameter bei Pumpversuchen sind kostengünstig und können z. T. schnell sehr wert-volle Informationen liefern. Immer ist eine Optimierung zwischen Probenzahl, Meßgenauig-keit und Zeit bis zum Vorliegen der Ergebnisse zu finden.

Bestimmte Messungen oder Analysenverfahren zeichnen sich durch den Bedarf nach einer besonderen Technik zur Probenahme, zur Aufbereitung oder zum Transport aus. Nur durch die richtige Vorbereitung ist der folgende Analysenaufwand zu rechtfertigen.

Abb. 2.5-3 Schadstoffaustrag während eines Säulenversuches

Derartige Laboruntersuchungen sind durch die Probenmenge (und -qualität) beschränkt. Sie erlauben jedoch in erster Näherung die Einstellung der bestmöglichen Sanierungsbedingun-gen. Im Zusammenhang mit Feldversuchen kann die Möglichkeit, ein vorgegebenes Sanie-rungsziel zu erreichen, bereits vorab bewertet oder ein solches festgelegt werden. Die Über-tragbarkeit von Ergebnissen derartiger Laboruntersuchungen auf den Standort ist nur mit Einschränkungen möglich. Sie bedingt die Kenntnis der Standortbedingungen und vorliegende Ergebnisse von Feldversuchen.

Reichweitenbestimmungen

Die Reichweite einer Bodenluftabsaugung kann als jenes Bodenvolumen beschrieben werden, das mit Luft durchströmt wird. Die Durchströmung erfolgt über einen mehr oder minder gro-ßen Anteil des nutzbaren Porenraumes, der nicht vom Wasser erfüllt ist. Dies reicht jedoch nicht für eine Aussage zur Sanierungswirkung der Maßnahme. Der Begriff der Reichweiten-bestimmung muß über quantifizierbare Parameter und Qualitätskriterien konkretisiert und im Nahbereich der Absaugung besser definiert sein.

In größeren Abständen von der Absaugstelle können mittels U-Rohr durchaus Unterdrücke zu registrieren sein. Die dadurch induzierte Strömung kann nur über Druckmessungen nicht hin-länglich bestimmt werden. Auch wo mittels U-Rohr keine Druckänderungen gemessen wer-den, kann noch Luft strömen (HÖTZL et al., 1993). Der Einflußbereich einer Absaugung ist

über den Begriff "Reichweite" unzureichend beschrieben. Dort, wo Luft strömt, kann bei-spielsweise der CKW-Austrag gering sein (langsame Desorption). Umgekehrt mögen gasför-mige Schadstoffe bereits durch geringste Strömungen aus dem Porenraum ausgetragen wer-den, wenn zusammenhängende Poren nicht durch Wasser verschlossen sind und das Sediment frei von organischer Substanz ist.

Der Einflußbereich einer Luftabsaugung (Reichweite) kann qualitativ über Unterdruckmes-sungen und mit Hilfe von Rauch nachgewiesen werden. Die halbquantitative Beschreibung erfolgt unter Einbeziehung der Erkundungsergebnisse über

• Messungen von Unterdruck und Volumenstrom (Strömungsgeschwindigkeit) an der Absaugstelle, Beobachtung und Beurteilung von Wassertransport,

• Unterdruckmessungen im Feld (tiefenhorizontiert, Raster nach Bedarf),

• Schadstoffmessungen an der Absaugstelle (Zeitreihen),

• Messung relevanter anderer Gase (nach Bedarf CO₂ oder Radon),

• Schadstoffmessungen an tiefenhorizontiert ausgebauten Luft-Probenahmestellen,

• Luft-Nachstrommessungen (Strömungsgeschwindigkeit) an geöffneten ("passiven") Brunnen oder Meßstellen in der Umgebung.

In Abb. 2.5-4 sind über Isobaren und Stromlinien diese Nachstrombereiche gekennzeichnet.

Eingetragen sind die sich ergebenden prozentuellen Anteile an der gesamten abgesaugten Luftmenge. Ihre Lage ergibt sich in Abhängigkeit

• von der Entfernung vom Entnahmebrunnen,

• der Bodendurchlässigkeit (oder diskreter Durchlässigkeiten),

• der Tiefenlage des Filters und dem Brunnendurchmesser.

Abb. 2.5-4 Profil der Strömungsverhältnisse bei der Bodenluftabsaugung Grundlegende Erkundungen für die Dimensionierung einer Luftabsaugung:

• Bohr- und Sondierprofile

• Grundwasser und Kapillarbereich mit deren Schwankungen

• Kornverteilung, Porosität, Wassersättigung und ungesättigte Durchlässigkeit

• Anteil der organischen Bodensubstanz

• Erkundung von Inhomogenitäten, Abgrenzung von Auffüllungen oder möglicher Kurz-schlußwegigkeiten und Abdichtungen

• Absaugversuch: Beschreibung des Strömungsfeldes in Abhängigkeit von der Absau-gleistung, der Tiefenlage der Filterstrecke und dem Brunnendurchmesser sowie der La-ge von Meßstellen (Mitförderung von Wasser oder Schadstoffphase beachten)

• Bohrungen zum passiven Luftnachstrom in gewünschte Tiefenbereiche

(IEG-Firmenprospekt) sind bereits im Zuge der Dimensionierung einer Maßnahme zu planen.

Sie dienen der bevorzugten Luftspülung bestimmter Bereiche und der Abschirmung bei der Gefahr, unerwünschte Stoffe aus der Nachbarschaft beizuziehen.

• Begleitende Schadstoffanalytik der abgesaugten Bodenluft, gegebenenfalls auch Mes-sung anderer Gase (H₂S, CH₄). Über die kontinuierliche Messung von CO₂ können Aussagen zum Frischlufteintrag (Verdünnung) oder zur Aktivierung mikrobiologischer Prozesse (Anstieg) getroffen werden. Die Detektion von aus dem Untergrund nachge-liefertem Radon erlaubt Aussagen zur Verdünnung, zum Aufreißen von Kurzschlüssen oder zur Tiefenwirkung der Maßnahme (siehe auch Kapitel 2.5.7 und DÖRR und MÜNNICH, 1989, 1990 und DÖRR et al., 1993).

Luftströmung

Bei Bodenluftabsaugungen (oder -Spülungen) wird eine Luftströmung innerhalb der (meist nicht trockenen) ungesättigten Zone induziert. In bestimmten Bereichen kann es zur Bewe-gung von Wasser und bei Anwesenheit von Schadstoffen in flüssiger Phase auch zum 3-Phasenfließen kommen, wenn diese Phasen zusammenhängende Porenräume erfüllen (siehe dazu auch die Grundlagen in Kapitel 2.1.3 und 2.3.1). Eine Bodenluftabsaugung kann damit in ihrer engeren Umgebung zur Unterstützung einer hydraulischen Maßnahme beitragen. Bei mikrobiologischen Sanierungen ("bio venting") dient sie vorwiegend dem Sauerstoffeintrag und z. B. der Verteilung von Methan als Substrat.

In Abhängigkeit von der Tiefenlage und der Filterdimension kann auch der Luftnachstrom über Kontrollmeßstellen bewertet werden. Dieser muß möglichst widerstandsfrei gemessen werden.

Heute ist es möglich, die Installation der Brunnen und den Betrieb der Bodenluftabsaugung zu optimieren. Dazu werden mit einem dreidimensionalen Strömungssimulationsprogramm ver-schiedene Varianten berechnet. Bei der Eichung des Modells werden die Ergebnisse der Er-kundung (Wassergehalt und Durchlässigkeit) und die Resultate eines Absaugversuches (Druckdaten) eingegeben (z. B. LIN, KINZELBACH, 1991).

Die Ergebnisse der Strömungsuntersuchung (Absaugversuch) können mit einer Modellrech-nung oder mit Erfahrungswerten verglichen werden. Wenn beides nicht übereinstimmt (BRAUNS, WEHRLE, 1990; NAHOLD, GOTTHEIL, 1991), können folgende Gründe vor-liegen:

• Der Feuchtegehalt ist hoch und damit der lufterfüllte zusammenhängende Nutzporen-raum gering.

• Die Lagerungsdichte oder Textur in Lagen oder Schichten bewirken geringere Durch-lässigkeiten als eingangs angenommen.

• Stark durchlässige Bereiche dränieren die Luft, schlecht durchlässige, feuchtere Berei-che werden umspült.

• Die Wirkung der Absaugung reicht in nach oben abgedichteten Kieslagen (oder unter nassen, dichten Bodenoberflächen) über mehrere Zehnermeter Entfernung.

• Die Filterstrecken von Meßstellen oder der Absaugbrunnen sind in schlecht durchlässi-gen Bereichen angeordnet oder durch Kurzschlüsse beeinträchtigt.

• Die Oberkante der Filterstrecke des Absaugbrunnens liegt nicht ausreichend tief für das Erzielen der gewünschten Reichweite.

• Durch die Luftabsaugung wurde Wasser angehoben oder seitlich beigezogen, weswe-gen nur mehr der oberste Abschnitt des Filters von Luft durchströmt wird.

Gastracerversuche im Feld

Die Bodenluftmarkierung steht als zweite Feldmethode zur Überprüfung der Reichweite so-wie für Beweisführungen zur Verfügung. Durch die Eingabe von Markierungsgas können Wegigkeiten nachgewiesen oder ausgeschlossen werden (z. B. BÖHLER et al., 1990; FIERZ et al., 1993) oder Aussagen für kombinierte Anwendungen abgeleitet werden (BÖHLER, 1989).

Als Markierungsstoffe werden vorwiegend Edelgase Helium und Argon mit geringer Was-serlöslichkeit eingesetzt. Auch das reaktive CO₂ oder mikrobiologisch abbaubares CH₄ sowie SF₆ (WILSON, MACKEY, 1993) wurden für Spezialanwendungen eingesetzt. Rauch wird zum qualitativen Nachweis von Luftströmungen verwendet.

Wie bei Grundwassermarkierungsstoffen sollten an Gastracer folgende Forderungen gestellt werden:

• ungiftig und nicht explosiv

• möglichst nicht reaktiv und schwach adsorbierbar

• einfach und preiswert meßbar (möglichst mit mobilen Detektoren und ohne Querbeein-flussung durch den Schadstoff)

• in nur geringer Grundlast in Boden und Luft vorkommend

Stofftransport

Gasförmige Schadstoffe und Tracer treten mit Flüssigkeiten und Feststoffen in Wechselwir-kung (siehe Kapitel 2.3.2 und Neumayr, 1981; EINSELE ET AL., 1988; GRATHWOHL, 1989; Neumayr ET AL., 1990; GRATHWOHL ET AL., 1991; ODER SCHWILLE, WEBER, 1991). Neben den strömungstechnischen Bedingungen wird der Transport von Gasphasen im Boden bestimmt durch

• die physiko-chemische Beschaffenheit des Schadstoffes (gasförmig, flüssig als Rein-phase, in wässriger Lösung, sorbiert am Feststoff) und die Möglichkeit zum Phasen-übergang oder zum Mehrphasenfließen,

• die im System wirksamen Diffusionskoeffizienten,

• den Anteil, die Art und die Verteilung fester organischer Substanz im Boden und deren Rückhaltevermögen für die Schadstoffe,

• den Anteil von Ton (Kornfraktion mit einem Durchmesser kleiner 2µm) und den Ton-mineralgehalt (nicht nur der Feinfraktion),

• die Dynamik der Bodenfeuchte und der Temperatur (Austrocknung oder Kondensation als Folge von unterschiedlichen Luftfeuchten und Temperaturen zwischen Oberflä-chenluft und Bodenluft).