Diplomarbeit Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 2

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1 D I P L O M A R B E I T Beitrag zur Modul-Entwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung Fachbereich: Lehrgebiet: Verfasser: Betreuer: Bauingenieurwesen/ Architektur Wasserwesen Jesko Fischer Prof. Dr.-Ing. T. Grischek Dipl.-Ing. W. Macheleidt Inhalt: 1 Einleitung 2 Methodik 3 Auswertung 4 Zusammenfassung 5 Ausblick

2 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 2 1 Einleitung Bei der unterirdischen Enteisenung von Grundwasser wird sauerstoffhaltiges Wasser in den Grundwasserleiter infiltriert. Im Untergrund kommt es beim Kontakt des infiltrierten sauerstoffreichen Wassers mit dem Fe(II)-haltigen Grundwasser zur Bildung von Eisenhydroxiden, welche ausfallen und als Sorptionsplätze für Fe(II) zur Verfügung stehen. Das Verfahren zur in-situ-aufbereitung von reduzierten Grundwässern zur Entfernung von Eisen, Mangan und Arsen gewinnt seit den 70er Jahren im In- und Ausland zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden Laborversuche zur Anreicherung des Grundwassers mit Luftsauerstoff bzw. technischem Sauerstoff durchgeführt. Weiterhin wurde ein Feldversuch zur unterirdischen Enteisenung an einer Grundwassermessstelle konzipiert, durchgeführt und ausgewertet. Außerdem wurden Vorschläge für zwei Varianten mit unterschiedlichen Leistungskapazitäten für Pilotversuche zur unterirdischen Enteisenung entwickelt. Diese Varianten bilden die Grundlage für den späteren Bau der flexibel einsetzbaren Module für Versuche zur unterirdischen Enteisenung. 2 Methodik Zunächst wurde eine umfangreiche Literaturrecherche zum Stand der Technik der unterirdischen Enteisenung/ Entmanganung sowie dem Gasaustausch im Wasser in geschlossenen Systemen und dessen physikalischen Gesetzen und Einflussfaktoren wie z. B. Druck und Temperatur durchgeführt. Anschließend wurden Laborversuche zur Anreicherung mit Luftsauerstoff bzw. technischem Sauerstoff konzipiert, durchgeführt und ausgewertet. Ziel dieser Versuche war es, eine Abhängigkeit zwischen Sauerstoffkonzentrationen im Grundwasser bei unterschiedlichen Druck- und Durchflussverhältnissen und der O 2 -Anreicherungsmenge zu ermitteln. Die praktische Umsetzung der in den Laborversuchen erzielten Kenntnisse erfolgte in einem Feldversuch an einer Grundwassermessstelle, in der seit über 10 Jahren Eisengehalte von etwa 4 mg/l im Grundwasser gemessen wurden. Für die in-situ-

3 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 3 Versuche wurde eine Versuchsanlage entwickelt und aufgebaut, die wichtige Erkenntnisse für die spätere Modulentwicklung bringen soll. Für die Durchführung von Pilotversuchen zur unterirdischen Enteisenung werden zwei Varianten für Module entwickelt. Die Variante eins wird so bemessen, dass ein Transport durch zwei Personen und einem Kleintransporter möglich ist. Die zweite Variante im Container wird hinsichtlich ihrer maximal möglichen Aufbereitungsleistung entwickelt. Diese zwei Varianten werden hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten und Kosten bewertet. Abb. 1: Modul 1, untergebracht in einem Abb. 2: Modul 2, wo die Ausrüstungsgegenstände in einem Container installiert gewöhnlichen Kleintransporter werden 3 Auswertung Bei der Anreicherung mit Luftsauerstoff wurde die Sauerstoffkonzentration hauptsächlich von der Geschwindigkeit der Strömung im Zwangsmischer bestimmt. Denn nur bei ausreichender Geschwindigkeit entsteht ein intensiver Kontakt zwischen den Phasen, was einen hohen Stoffübergang zur Folge hat. Eine Verlängerung der Mischstrecke kann die Sauerstoffkonzentration im Grundwasser erhöhen. Die Anreicherung mit technischem Sauerstoff ermöglicht Werte über dem 6-fachen der Sättigungsgrenze. Vergleichend zum DVGW (2005), wo Sauerstoffkonzentrationen bis zum 4-fachen der Sättigungsgrenze erreicht werden können, wurden höhere Werte gemessen. Hier spielt die Strömungsgeschwindigkeit keine übergeordnete Rolle, da im Zwangsmischer DN 15 mit 1,22 m/s eigentlich bessere Strömungsverhältnisse herrschten, als im Zwangsmischer DN 25 mit 0,44 m/s, mit dem aber bessere Resultate erzielt wurden.

4 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 4 Abb. 3: Aufbau eines verwendeten Zwangsmischers für die Vermischung des gasförmigen und flüssigen Mediums Der Austrag von Sauerstoff muss unterschiedlich bewertet werden. Zum einen wurden mit dem Zwangsmischer DN 15 geringere Werte gegenüber den Versuchen ohne Aufenthaltsbehälter erreicht, zum anderen spielte die Aufenthaltszeit im Versuch mit dem Zwangsmischer DN 25 überhaupt keine Rolle. Es wurden sogar geringfügig höhere Werte erreicht, wie man in Tab. sehen kann. Aufgrund einer deutlich sichtbaren Blasenbildung im Aufenthaltsbehälter während aller Versuche mit technischem Sauerstoff ist es von Vorteil, wenn bei der unterirdischen Enteisenung mit technischem Sauerstoff ein Entgasungsbehälter verwendet wird, da sonst die entstehenden Gasblasen den Porenraum in der Brunnenumgebung zusetzen könnten. Tab. 1: Überblick der maximal erreichten Sauerstoffkonzentrationen für Luftsauerstoff und technischen Sauerstoff Zwangsmischer DN 15 DN 25 Luftsauerstoff 7,46 mg/l 7,05 mg/l technischer Sauerstoff ohne Behälter 38,4 mg/l 49,6 mg/l mit Behälter 25 mg/l 51,4 mg/l Das Messgerät LDO HQ 20 verfügt über einen Messbereich von 0,01 bis 20,0 mg/l, bei einer Auflösung von 0,01 oder 0,1 mg/l. Vor allem im unteren Messbereich bis 10 mg/l wurden sehr genaue Ergebnisse erzielt. Aufgrund der hohen zu erwarteten

5 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 5 Sauerstoffkonzentrationen bei der Anreicherung mit technischem Sauerstoff wurde das Multi 340i Messgerät mit einem Messbereich von 0 bis 90,0 mg/l eingesetzt. Bei diesen Versuchen zeigte sich, dass das Messgerät bei höheren Konzentrationen (ab 15 mg/l) konstante Werte anzeigte. Die Messgeräte für ph-wert und Leitfähigkeit arbeiteten konstant gut ohne Probleme. Die Temperatur wurde von drei verschiedenen Messgeräten gemessen, dabei waren Schwankungen von maximal 0,1 C zu beobachten. Der Eisengehalt im geförderten Wasser betrug bei Abbruch des Feldversuches an der Troppauer Straße in Dresden nach einer Förderung von 60 m³ weniger als 1,0 mg/l. Dies ist ein Rückgang von über 3 mg/l Eisen im Vergleich zum Eisengehalt im Grundwasser vor dem Versuch. Damit war der Pilotversuch erfolgreich. Der restliche Eisengehalt resultiert vermutlich aus einem Anteil eisenhaltigen Grundwassers, welches in einem nicht durch die Infiltration beeinflussten Bereich des Grundwasserleiters zufließt. Fe(II) (mg/l) 5 Fe(II) Ausgangswert Fe(II) Fe(II) Infiltration Fördermenge (m³) Abb. 4: Fe(II)-Gehalt im geförderten Wasser des Versuches zur unterirdischen Enteisenung Die Entwicklung der Sofortparameter LF, T und ph deuten darauf hin, dass am Anfang vorwiegend Infiltrationswasser gefördert wurde und mit zunehmender Förderdauer der Anteil an Grundwasser im Förderwasser anstieg. Die Sofortparameter haben am Anfang ähnliche Werte wie die im Infiltrationswasser und ihre Tendenz geht

6 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 6 bei zunehmender Förderdauer in Richtung der Werte, die im Grundwasser festgestellt wurden. Die Auswertung des Feldversuches zur unterirdischen Enteisenung zeigte, dass weitere Versuche an größeren Messstellen mit höheren Eisengehalten als an der Troppauer Straße möglich sind. Der Sauerstoff im infiltrierten Wasser reagierte mit dem im Grundwasser befindlichen Eisen(II). Bei einer Optimierung der Versuchsrandbedingungen ist es möglich, den Eisengehalt im Grundwasser bis unter den für Trinkwasser geforderten Grenzwert von 0,2 mg/l zu reduzieren. Tab. 2: Vergleich der beiden Varianten Containermodul Transportermodule Maximale Aufbereitungsleistung 720 m³/d 43 m³/d Anschaffungskosten Transportkosten (Bsp.: Torgau 200 km) Sicherheit gut schlecht Aufgrund der unterschiedlichen Platzverhältnisse von Modul 1 und Modul 2 wurden sehr unterschiedliche maximale Aufbereitungsleistungen erreicht. Die Aufbereitungsleistung des Containermoduls ist mit 720 m³/d über 15-mal höher als die der Transportermodule mit 43 m³/d. Die Kosten beider Varianten sind annähernd gleich, da die Messtechnik einen erheblichen Teil der Kosten veranschlagt und in beiden Varianten vorhanden sein muss. Die Transportkosten sind dagegen sehr unterschiedlich. Während beim Kleintransporter lediglich Kosten für Benzin, Reparatur, etc. anfallen, muss der Container bei jedem Einsatz von einem Transportunternehmer zum bzw. vom Einsatzort transportiert werden, was entfernungsabhängig höhere Kosten verursacht. Die Containervariante ist wegen der besseren Verschließbarkeit für Langzeitversuche besser geeignet als die Module des Kleintransporters. 4 Zusammenfassung Die unterirdische Enteisenung hat sich seit Jahrzehnten an vielen Standorten bewährt. Sie ist im Vergleich zur oberirdischen eine preiswerte und Platz sparende Alternative auch für zukünftige Grundwasseraufbereitungsmaßnahmen. Der zur Bildung von Eisenhydroxiden notwendige Sauerstoff gelangt mit dem infiltrierten Wasser in den Untergrund. Für die Laborversuche in der Diplomarbeit wurde eine Zwangsmischereinheit für den Sauerstoffeintrag in das Wasser eingesetzt und

7 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 7 getestet. Diese Einheit besteht aus 4 Sulzer-Mischelementen. Der Einsatz eines Venturi zur Anreicherung von Sauerstoff wurde in der Diplomarbeit nicht vorgenommen. Zur Anreicherung wurde Luftsauerstoff sowie technischer Sauerstoff verwendet. Das mit Luftsauerstoff angereicherte Wasser enthielt Sauerstoffkonzentrationen von bis zu 7,46 mg/l. Das entspricht annähernd der Sättigungskonzentration von Wasser mit 15 C bei Atmosphärendruck von 7,5 mg/l. Beim Einsatz von technischem Sauerstoff wurden Konzentrationen von über 50 mg/l gemessen. Das entspricht in etwa dem siebenfachen der Sättigungskonzentration und ist damit deutlich höher als die Angabe im DVGW Merkblatt W-223-1, wo von einer Vervierfachung der Sättigungskonzentration im Wasser ausgegangen wird. Der Einsatz von technischem Sauerstoff ist bei Grundwässern mit Eisengehalten von über 10 mg/l vorteilhaft, da die Sauerstoffkonzentration im Wasser mit technischem Sauerstoff besser geregelt werden kann. Der Einsatz von Luftsauerstoff ist bei Eisenmengen im Grundwasser von unter 10 mg/l wirtschaftlicher, da Luftsauerstoff quasi überall kostenlos zur Verfügung steht. Die Höhe der Sauerstoffkonzentration im Infiltrationswasser hängt im Wesentlichen von den hydraulischen Verhältnissen im Zwangsmischer und der zugeführten Menge Sauerstoff ab. Die von der Firma Sulzer vorgegebenen Geschwindigkeiten von 0,5 bis 2,0 m/s müssen eingehalten werden, wobei eine Geschwindigkeit von über 1 m/s empfehlenswert ist. Der Sauerstoffgehalt im Wasser wurde mit zwei verschiedenen Messgeräten gemessen. Das LDO HQ 20 der Firma Hach empfiehlt sich besonders für die Erfassung von geringen Sauerstoffgehalten im Wasser, da es in den unteren Bereichen sehr konstante und genaue Messergebnisse lieferte. Der Messbereich dieses Messgerätes liegt zwischen 0,01 und 20,0 mg/l mit einer Auflösung von 0,01 bzw. 0,1 mg/l. Die mit der Anreicherung von technischem Sauerstoff erwarteten höheren Konzentrationen wurden mit dem Messgerät Multi 340i der Firma WTW gemessen. Dieses Messgerät misst Sauerstoffkonzentrationen bis zu 90,0 mg/l. Um der Ausgasung im brunnennahen Bereich entgegenzuwirken, ist der Einsatz von Entgasungsbehältern nach der Sauerstoffanreicherung erforderlich. Der Einsatz muss bei Luftsauerstoff sowie technischem Sauerstoff erfolgen, da bei beiden Verfahren eine Entgasung erforderlich wird.

8 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 8 Mit dem Feldversuch zur unterirdischen Enteisenung ist ein Eignungsnachweis des zuvor theoretisch betrachteten Verfahrens gelungen. Es fand ein Ionenaustausch im Boden statt und es wurde eine spontane Reaktion des infiltrierten sauerstoffhaltigen Wassers mit dem im Grundwasser befindlichen Eisen nachgewiesen. Im durchgeführten Feldversuch sollte durch die Infiltration mit Trinkwasser, welches einen mittleren Sauerstoffgehalt von 8,5 mg/l besaß, das Eisen(II) zu Eisenhydroxid umgewandelt werden. Bei der Auswertung der Proben wurden Eisen(II)- sowie Gesamteisengehalte von über 0,4 mg/l festgestellt. Das lag zum einen an dem schlechten Zustand der Grundwassermessstelle (teilweise zugesetzter Filter) und zum anderen an den Temperaturunterschieden zwischen infiltriertem Wasser (18,5 C) und dem Grundwasser (12 C), so dass es zu einer Schichtung der Wässer gekommen ist und beim Abpumpen eisenhaltiges Grundwasser aus einem unbehandelten Bereich der Brunnenumgebung mit gefördert wurde. Trotzdem zeigt dieser Versuch, dass weitere Tests an Grundwassermessstellen durchgeführt werden können. Für die mobile Pilotanlage wurden zwei verschiedene Varianten mit unterschiedlichen Aufbereitungsleistungen entwickelt. Die erste Variante, welche in einem Container untergebracht ist, kann bis zu 720 m³ Wasser pro Tag mit Sauerstoff anreichern und infiltrieren. Der Einbau der Module im Container ist mit etwas teurer als die Kleintransportervariante. Die Variante zwei wurde so bemessen, dass die Module von zwei Personen getragen und in einem Kleintransporter transportiert werden können. Aufgrund des geringeren Platzbedarfs verringert sich die Aufbereitungsleistung auf 43 m³/d deutlich. Die gesamte Variante mit Kosten von etwas günstiger. Als Pilotanlage für Versuche zur unterirdischen Enteisenung ist die Variante in einem Container besser geeignet. Der größte Vorteil dieser Variante ist die Flexibilität hinsichtlich der zu erwartenden Aufbereitungsmengen an den Versuchsstandorten. Es können Versuche an Brunnen mit Förderkapazitäten von über 720 m³/d gefahren werden. Außerdem sind alle Bestandteile der Containerausrüstung fest installiert, so dass keine Transportschäden zu erwarten sind.

9 Beitrag zur Modulentwicklung für Versuche zur unterirdischen Enteisenung 9 5 Ausblick Nach den positiven Ergebnissen aus dem Feldversuch können mit den entwickelten Modulen standortspezifische Eignungstests an ausgewählten Grundwassermessstellen durchgeführt werden. Für einen 1. Eignungstest zur Abschätzung der betriebswirtschaftlichen Eignung ist das Modul im Kleintransporter vorgesehen. Im Falle eines positiven Eignungstests können an diesen Standorten Langzeittests durchgeführt werden, wo die Technologie dauerhaft getestet werden kann. Dafür wird die Containervariante eingesetzt, wo das gesamte Prozesssystem automatisiert ablaufen soll. Die zurzeit sehr kostenintensiven Verfahren zur Ermittlung ob ein Standort überhaupt für die unterirdische Enteisenung geeignet ist, können zukünftig mit Hilfe der Module preiswerter angeboten werden.