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Monday, 26. August 2019
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Allgemeine Grundlagen der vertikalen Grundwasserzirkulation

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Beim klassischen "Pump-and-Treat"-Verfahren wird üblicherweise das Grundwasser aus einem oder mehreren Brunnen entnommen, in einer oberirdischen Anlage gereinigt und über die Kanalisation oder einen Vorfluter abgeleitet.

Auch bei der Kombination von Entnahme- und Infiltrationsbrunnen werden vorwiegend höher durchlässigen Bereiche bevorzugt durchströmt und feinkörnigere Strukturen umströmt. Ein Großteil der Schadstoffe wird jedoch in den geringer durchlässigen Bereichen wie Feinsand- oder Schlufflagen adsorbiert. Durch Diffusion werden diese Schadstoffe beim Abpumpen nur sehr langsam aus diesem Reservoir freigesetzt und bewirken nach kurzer Zeit eine Stagnation des Schadstoffaustrags (’’Tailing-Effekt’’).  

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Eine Sanierung, abhängig vom Untergrund und Schadstoff, kann unter Umständen mehrere Jahrzehnte dauern. Diese Erkenntnisse haben dazu geführt, dass das sogenannte "Pump &Treat"-Verfahren zwar als geeignet zur Schadensabwehr, bzw. zum Schutz gegen weitere Ausbreitung von Schadstoffen gilt, aber nicht mehr als Sanierungsmethode angesehen wird.
Beim "Pump&Treat"-Verfahren wird kontaminiertes Grundwasser radial aus dem Aquifer abgepumpt, d.h. es wird unbelastet Grundwasser durch den kontaminierten Untergrund geleitet und oberirdisch mit erheblichem technischem Aufwand wieder von den Schadstoffen befreit.

Wird eine Zirkulationsströmung im Grundwasserleiter erzeugt, so strömt unbelastetes Grundwassers nur im Rahmen des natürlichen Grundwasserzustroms in den kontaminierten Bodenkörper. Beim Grundwasser-Zirkulations-Brunnen (GZB) werden Bereiche unterschiedlicher Durchlässigkeit und Schadstoffverteilung gleichermaßen erfasst. Ein wesentlich effizienterer Sanierungsverlauf im Vergleich zum "Pump&Treat"-Verfahren ist gewährleistet.

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Schluff- oder Feinsandlinsen, wie sie typisch sind für viele quartäre Ablagerungen, werden zwar auch beim GZB an den Rändern umflossen, da jedoch ein ausgeprägter vertikaler hydraulischer Gradient besteht, bildet sich eine Zwangsdurchströmung solcher Strukturen aus. Schadstoffe können so effektiver ausgespült und damit die Sanierungsdauer verkürzt werden. Selbst bei Wechsellagerungen von Sanden unterschiedlicher Korngrößen bzw. mit variierenden Schluffanteilen lassen sich Grundwasserzirkulationsbrunnen (GZB) vorteilhaft einsetzen.Für die hydraulische Funktion eines GZB gibt es wissenschaftliche Berechnungsverfahren. Die Effizienz bzw. eine objektive Bewertung des Systems wurde im Rahmen von großräumigen Modellversuchen in der Forschungseinrichtung VEGAS und am Forschungsstandort Knielingen durch die Universitäten Stuttgart und Karlsruhe durchgeführt. Forschungsprojekte, umfangreiche wissenschaftliche Modellierungen, hydraulische Tests und Tracerversuche belegen die Wirksamkeit in zahlreichen Sanierungsfällen. Praktische Erfahrungen mit GZB-Systemen liegen seit mehr als 20 Jahren vor.

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Die GZB-Technologie wurde so entwickelt, dass sie im Dauerbetrieb betrieben werden kann und nur einen geringen Wartungsaufwand erfordert. Es sind keine Infiltrationsbrunnen, Abflussleitungen in Vorfluter oder Kanal und keine Einleitungsgebühren notwendig. Die Investitionskosten der Anlagen liegen im Bereich der herkömmlichen Sanierungsverfahren. Vergleichsweise geringe Betriebskosten bei einer gleichzeitigen Reduzierung des Sanierungszeitraumes ermöglichen letztlich eine wesentliche Kostenersparnis beim Einsatz von Zirkulationsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Sanierungsverfahren.
Entsprechend der Sanierungskonzeption werden in den Grundwasserleiter ein oder mehrere vertikale Brunnen mit mindestens 2 Filterstrecken niedergebracht. Bei einem Grundwasserleiter mit mehreren Stockwerken muss für jedes Stockwerk ein eigener Sanierungsbrunnen errichtet werden. Eine Trennplatte (Packer) teilt die Brunnen in einen oberen und einen unteren Abschnitt. Mit Hilfe einer Pumpe, die z.B. unter dem Packer installiert ist, wird das kontaminierte Grundwasser von dem unteren in den oberen Brunnenabschnitt gefördert.

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  Infolge der dadurch erzeugten Potentialunterschiede wird um den Brunnen eine horizontale und vertikale Zirkulationsströmung im Grundwasserleiter vom Zugabe- zum Entnahmefilter induziert (hier als „Standard-Zirkulation“, „Rechtslauf “ bezeichnet). Die aufwärtsgerichtete Grundwasserströmung innerhalb des Brunnens kann entweder mit einer Tauchpumpe oder durch einen Air-Lift-Effekt innerhalb des Brunnens induziert werden. Das Verwenden einer Pumpe hat den Vorteil, dass das Luft- / Wasserverhältnis  kontrolliert und damit gleichzeitig die Strippleistung eingestellt und ein interner Brunnen-Kurzschluss verhindert werden kann.

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  Generelles Fließschema eines GZB mit Pumpe im Linkslauf („Reverse Zirkulation“) und Strippung im Brunnenschacht
 
Die Drehrichtung der Zirkulationsströmung kann durch die Anordnung der Pumpe über dem Packer festgelegt bzw. umgekehrt werden. Im umgekehrten Strömungsverlauf („Revers“; „Linkslauf“) strömt das Grundwasser im Brunnen von oben nach unten. Durch die sich ergebenden Potentialunterschiede entsteht eine dreidimensionale ellipsoidale Zirkulationsströmung. Auch die Bereiche mit geringerer Durchlässigkeit werden intensiv horizontal und vertikal durchspült. Die Pumpmenge und Drehrichtung der Zirkulationsströmung kann der Schadstoffverteilung im Boden und dem Sanierungsfortschritt angepasst werden. Die gesamte Wassermenge, die um einen GZB zirkuliert besteht aus drei Teilmengen: dem Anteil des zufließenden Grundwassers, dem Anteil der zirkulierenden Wassermenge und aus dem Anteil des abfließenden Wassers.  Die Strömungsdynamik und die Dimensionen des Zustrombereichs („Capture Zone“), der Zirkulationswalze sowie des Abstrombereichs („Release Zone“) werden für die Sanierungsplanung herangezogen. Die Reichweite der Zirkulation und die Breite der Zu- und Abstromfenster können berechnet und die Zirkulationszeiten, bzw. Sanierungsdauer abgeschätzt werden.

   
zustrombereich.jpgZustrombereich, Zirkulationswalze und Abstrombereich  eines Grundwasser-Zirkulationsbrunnens
 
Eine wichtige Voraussetzung, für die Erreichung der festgesetzten behördlichen Grenzwerte im zu reinigenden Grundwasserkörper, ist die ausreichende Durchspülung der höher konta-minierten feinkörnigen Bereiche, wie Feinsand- oder Schlufflinsen eines Grundwasserleiters.
Für eine zuverlässige Prognose der Sanierungsdauer mit dem Grundwasser Zirkulationssystem ist, neben einer genauen Erkundung der geologischen Verhältnisse, auch die räumliche Ausdehnung des Schadensbereichs bzw. eine ungefähre Abschätzung der Schadstoffeintragsmenge unerlässlich. Eine Abnahme bis zu 90% der ursprüngliche Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser ist mit mehreren vollständigen Zirkulationsdurchläufen erreicht. Das Erreichen von behördlichen Grenzwerten in µg/l-Bereich kann einige Jahre in Anspruch nehmen. Ein Rebound-Effekt tritt nach der Sanierung nur mehr untergeordnet auf.

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  Stromlinien im Symmetrieschnitt durch einen GZB in einem anisotropen Aquifer nach(HERRLING & STAMM 1992)
a. Ohne Grundströmung
b. Grundströmung v=0,1m/d
c. Geschichteter Aquifer ohne Grundströmung
d. Geschichteter Aquifer mit Grundströmung v=0,1m/d


Die erzielbare Reichweite des Brunnens hängt ab vom Abstand der beiden aktiven Filterstecken, der Anisotropie des Aquifers, der Grundwasserfließgeschwindigkeit und der gewählten Förderrate. Je größer die Zirkulationszelle, desto länger braucht ein Wassermolekül um die Zelle zu durchfließen. Bei mächtigen Grundwasserleitern erweist es sich als günstig, mehrere Zirkulationszellen (Mehrfachkreisläufe, „stacked circulation“) übereinander anzuordnen. Dadurch entstehen kleinere Zirkulationszellen mit kürzeren Fliesszeiten.

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 Die Anwendung solcher mehrfach verfilterten GZB kann auch dann von Vorteil sein, wenn sich die Kontamination auf bestimmte Aquiferabschitte beschränkt oder sich die hydro-chemischen Eigenschaften des Grundwassers mit der Aquifertiefe ändern.

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Einige technische Vorteile der Vertikalen Grundwasserzirkulation mit den GZB-Verfahren

● Die vertikale Strömung erfolgt über den maximalen hydraulischen Gradienten

● Keine Wasserentnahme aus dem Untergrund
 
● Gleichzeitige Sanierung von Boden, Grundwasser und Kapillarsaum durch speziellen Brunnenausbau

● Verschiedene Betriebsweisen des Brunnen möglich (Standard-/ Reverse-Zirkulation, Mehrfachkreisläufe, geschlossener Kreislauf für Prozessabluft)
 
● Einfache Veränderung von Betriebsparametern (Luft-/ Wasserverhältnis
 oder Strömungsverhältnisse)

● Einfache Brunneninstallation
 
● Modulare Anordnung der Wasserreinigung

● Schnellere und kostengünstigere Wartungsarbeiten (kein Füllkörperwechsel für Stripper notwendig, niedrige Bauweise)

● Bei Platzierung in einem Container kein Frostschutz notwendig

● Einfaches Genehmigungsverfahren

● Keine Grundwasserentnahme, kein Abwasser, keine
 Abwassergebühren

● Geringer Energieverbrauch (komplettes System benötigt ca. 4,5 kW/ h)

● Keine Grundwasserabsenkung, keine strukturelle Beschädigung von
 Gebäuden

● Kürzerer Sanierungszeitraum (dadurch, dass das Grundwasser senkrecht durch gering permeable Bereiche getrieben wird, werden auch dort die Schadstoffe mobilisiert)

● Die Technik kann auch in Aquiferen mit sehr geringem Wasserdurchsatz an-gewandt werden

● Zonenspezifische Sanierung möglich (nur Sanierung der Zirkulationszone). Sanierung in Nähe von Oberflächengewässern problemlos möglich.

● Je nach physikalischen  Eigenschaften der Schadstoffe kann der Brunnen mit abwärts- oder aufwärtsgerichteter Strömung betrieben werden

 
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