Innovative Mess- und Probenahmetechniken. Grundwassermonitoring. imw Innovative Messtechnik Dr. Weiss, Tübingen

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1 Innovative Workshop NATURAL ATTENUATION Mess- Monitored und Probenahmetechniken Natural Working Attenuation with nature (MNA), im Grundwassermonitoring Cracow, St. October Gallen Innovative Mess- und Probenahmetechniken im Grundwassermonitoring imw Innovative Messtechnik Dr. Weiss, Tübingen

2 Innovative Mess- und Probenahmetechniken im Grundwassermonitoring Aktiv Tiefenorientierte Probenahme Passiv Bestehende Brunnen Neue Brunnen

3 Fragestellung: integral, volumenbasiert Konventionelle Pumpprobe, IPV Integral über das abgepumpte Volumen?

4 Fragestellung: tiefenorientiert, vertikal auflösend Tiefenorientierte Pumpprobe diskrete repräsentative Information

5 Bestehende Brunnen: ML - Schlauchpacker Doppelwandige, nicht elastische Membran Probennahmeschläuche Minidruckpumpe Pumpenfilter Brunnenfilter Kiesschüttung Parallele Low-Flow Probenahme in verschiedenen Tiefen Modulare Bauweise: verschiedene Durchmesser, Längen und Anzahl der Probenahmeports Mobiles oder halbstationäres System Einfacher Ein- und Ausbau

6 Bestehende Brunnen: ML - Schlauchpacker mbgl Lithologie Brunnen Probenahme [m ugok] Leitfähigkeit [µs/cm] Monochlorbenzol [µg/l] Benzol [µg/l] 5,0 10,0 1) 12, ,0 2) 15, ,0 3) 17, ) 21, ,0 30,0 5) 27, ,0 6) 7) 32,0 33, ,0 8) 37, ,0 9) 10) 41,0 44, ,0 11) 48, ,0

7 Bestehende Brunnen: ML - Scheibenpacker Parallele Low-Flow Probenahme in verschiedenen Tiefen Modulare Bauweise: verschiedene Durchmesser, Längen und Anzahl der Probenahmeports Mobiles oder halbstationäres System Einfacher Ein- und Ausbau

8 Bestehende Brunnen: Vergleich: Konventioneller Doppel-Packer mit ML Scheiben-Packer and ML Schlauch-Packer m ugok 5,5 6,5 7,5 8,5 Perchloroethylen Doppel Packer ML Scheiben-Pack. ML Schlauch-Pack. Steigleitung 9,5 Pumpe 10,5 11,5 12,5 Packer 13, [µg/l] KORA, Karlsruhe-Ost/Killisfeld Wickert,F.,Müller,A.,Schäfer,W.&Tiehm,A.: Altlastenforum,1,2006

9 Neue Brunnen - Direct Push Direct Push Sondierungen Ergebnisse der insitu Messungen Entscheidung vor Ort über Position der Probenahme Direkte Probenahme oder Installation von Probenahmegeräten Sensorsonden -EC & Slug / Bail Test, -CPT Injection Logging -MIP -ROST - TarGOST - UVOST Probenahmesysteme & Brunnen Sensor Response Geologie / Schadstoff Tiefe [m] 4

10 (from: US-EPA 542-R (2004)) Innovative Mess- und Probenahmetechniken im Grundwassermonitoring Tiefenorientierte Probenahme - Direct Push Screen Sampler Fußventil-Pumpe Groundwater Profiler

11 Probenahme: Direct Push Screen Point Sampler Mikro-DV-Pumpe Geoprobe

12 Innovative Mess- und Probenahmetechniken im Grundwassermonitoring Messung & Probenahme - Direct Push Eingrenzung einer Benzolfahne auf einem 120 m Profil; Sondierung alle 20 m SafZZ20/00 mugok Schluff 2 Kies 4 Schluff 6 Kies 8 Ton , , Ton- und Schlufflagen in quartärer Kiesabfolge mit Mittel- und Grobkies Schluffige Tonabfolge mit Braunkohlelagen; Basis oberer Aquifer Benzol in mg/l Körner, J., Weiß, H. SAFIRA,Zeitz Aug. 2002

13 Tiefenorientierte Probenahme - Direct Push BAT Sampler Druckcasing (Innendurchmesser Druckcasing mindestens (Innendurchmesser 1") mindestens 1") Seilzug Seilzug O-Ring O-Ring Edelstahlhülse rückziehbar Edelstahlhülse rückziehbar Sondieraupe Edelstahlspitze Edelstahlspitze Sinter-PE- Filter Sinter-PE- (20 Mikron Filter Porengröße) (20 Mikron Porengröße) O-Ring O-Ring Gehäuse Gehäuse Probenahmeröhrchen 25 Probenahmeröhrchen mll mll Verschlußkappe mit Verschlußkappe Dichtung mit Dichtung Doppelenden- Injektionsnadel Doppelenden- Injektionsnadel Dichtung der Enviroprobe Dichtung der Enviroprobe Edelstahlhülse Edelstahlhülse Dichtung Dichtung Edelstahlkörper Edelstahlkörper PE-Filter PE-Filter Spitze Spitze Enviroprobe Enviroprobe BAT-Probenehmer Geschlossen Enviroprobe Enviroprobe Geöffnet Probenahmeposition BAT-Probenehmer Geschlossen Geöffnet Probenahmeposition BAT- ENVIROPROBE und Grundwasserprobenehmer BAT- ENVIROPROBE und Grundwasserprobenehmer

14 Neue Brunnen - Direct Push Tiefenorientierte Probenahme: 1 Doppelpacker Steigleitung Druckleitung Befüllungsleitung MDP 1-Zoll Packer 35 cm 1-Zoll Packer Filter 30 cm Filter 1-Zoll Packer ID: 2,5 cm 1-Zoll Packer

15 Neue Brunnen - Direct Push Tiefenorientierte Probenahme: vorgefertigte Brunnen

16 Neue Brunnen - Direct Push Tiefenorientierte Probenahme: vorgefertigte Brunnen Sand catcher Tubing 10 x 12/13 mm Spacer tubing: Prevent upper sand catcher from sliding up with tie rib Tubing with bentonite collars Filter section Direct Well Obligatory sand-bentonite catcher will prevent back fill material from falling down In between lower and upper sand catcher: Optional sand catchers in homogeneous soils. Obligatory if clay layers and sand layers do alternate. Quality Well Spacer tubing 16 x 20 mm Sand catcher Filter section of DirectWell

17 Neue Brunnen Tiefenorientierte Probenahme: Mehrkanalsysteme 7-Channel CMT-System 3-Channel 2 cm Port 1 Port 2 Port 3 3-Kanal-CMT mit vorgefertigten Sandfiltern und Dichtstrecken (Bentonitdübel)

18 Neue Brunnen - CMT Mehrkanalsysteme Zeitz 2005 Frankfurt Frankfurt, Berlin 2006 Frankfurt 2007 Ghent, 2007 Bornheim 2007 Berlin 2008

19 Neue Brunnen - CMT Mehrkanalsystem Ergebnis 7-Kanal CMT Mikro-DV-Pumpe Fahnenzentrum Fahnenrand/-ende ,0 0 0,25 0,3 0,5 0,75 0,8 1,0 1 5 Σ LCKW [µg/l] 5 Σ BTEX [mg/l] 5 Σ LCKW [µg/l] 5 Σ BTEX [mg/l] m u GOK m u GOK

20 Neue Brunnen - Verlorene Mini-Druckpumpen Direct Push Rohr Verlorene MDP Installation eines ML- Brunnens, 20 m mit 5 Mini-Druckpumpen Verlorene Spitze Bentonit Packer Zentrales Rohr für Wasserstandsmessungen Mini-Druckpumpe Bohrrohr ID 2 1/8 Zoll

21 Passive Probenahme Oberflächen- und Grundwasser aktiv passiv

22 Auswahl von Passivsammlern Passivsammler Substanzen Typ Sammelzeiten Passiv-Diffusions- Beutel-Sammler (PDBS) Leichtflüchtige organische Substanzen: BTEX, CKW; Gleichgewicht, quantitativ mind. 14 Tage Diffusions-Multi- Lagen-Sammler (DMLS) Hydrophile Substanzen: BTEX, Metalle, Sulfat, Nitrat, Chlorid Gleichgewicht, quantitativ 2 4 Wochen Semi-Permeable- Membran-Device (SPMD) Stark lipophile Substanzen: PCBs, Dioxine, Organochlor- Pestizide, PDBE Zeitlich integrierend, für die meisten Substanzen, quantitativ ca. 28 Tage MESCO (Membrane Enclosed Sorptive Coating) PAKs, PCBs, Organochlor Pestizide Gleichgewicht, u.u. zeitintegrierend, quantitativ 14 Tage Gaiasafe-Sammler Organische Verbindungen, Metalle, Anionen, undissoziierte Substanzen Zeitlich integrierend, halbquantitativ 2 Tage 2 Monate Chemcatcher Polare und unpolare organische Verbindungen, Metalle Zeitlich integrierend, quantitativ 2 4 Wochen Keramik-Dosimeter & Toximeter PAK, BTEX, CKW Zeitlich integrierend, quantitativ mehrere Monate Passive Probennahme in Grund- und Oberflächenwasser Ein Überblick Bopp,S.,Weiß,H.,Schirmer,K., Grathwohl,P.&Schirmer,M.: Grundwasser,2,2004

23 Passive Probenahme Beispiel: PDBS (Polyethylen-Diffusions-Beutel-Sammler) Bauart PE-Schlauch, Ø: 3-5 cm x L: cm, gefüllt mit deion. Wasser (ca. 300 ml) Sammelzeit Gleichgewicht nach mind. 14 Tagen Substanzen Leichtflüchtige, organische Substanzen: BTEX, CKW Analytik Direkte Wasseranalyse wird seit 2001 in USA als Standardverfahren eingesetzt

24 Beispiel: PDBS (Polyethylen-Diffusions-Beutel-Sammler) Tiefenhorizontierte Probenahme in 6 Tiefen, Flughafen 6 Mini-Druckpumpen und 6 PDBS über 2 Wochen Benzol [µg/l] TCE [µg/l] ,5 20 Tiefe m ugok 22, ,5 Minidruckpumpen PDBS Minidruckpumpen PDBS

25 Passive Probenahme Beispiel: Keramik-Dosimeter / Toximeter Bauart Keramikrohr: Sammelphase: IRA-Amberlite 743: PAK Dowex O.p. L-493: BTEX, CKW Deckel: L 4,5 cm, Wandstärke 1,5mm, AD 1 cm, Porengröße 5 nm, Porenvol. 30,5% PTFE/Teflon Sammelzeit Wochen - Monate Substanzen PAK, BTEX, CKW Analytik Flüssigextraktion Ergebnis Mittlere Konzentration im Kontaktwasser

26 Passive Probenahme Beispiel: Keramik-Dosimeter water conc. [µg/l] Naphthalin well A conventional water samples triplicate conventional water samples average dosimeter time [d] dosimeter average [Martin et al. 2003, ES&T 37, 1360]

27 Tube for flow bypass Passive Probenahme Passiv Flux Meter Technology Sorbent with Tracers (activated carbon) Viton Washers (minimize vertical flow) q M R < 1 q Displaced resident tracers for groundwater flux M C q Captured contaminants for contaminant fluxes Hatfield et al., Journal of Contaminant Hydrology, 2004 Annable et al., ES&T, 2005

28 Passive Probenahme Vorteile gegenüber aktivem Monitoring Keine elektrische Energie, schweres und umfangreiches Gerät nötig Keine Tiefenlimitierung Keine Entsorgung kontaminierten Wassers Aufwand für Sammeln, Transport, Kühlung und Lagerung gering Keine Filtration nötig Keine Sorptionsverluste an Förderschläuchen und Probenahmegefäßen Kaum - keine Verluste leichtflüchtiger Schadstoffe durch Probenahme (Saugpumpen) Gefahr von Verschleppungen spielt keine Rolle Keine Beeinflussung des hydraulischen Strömungsfeldes

29 Passive Probenahme Vorteil Zeitintegrierende Sammler Detektierbarkeit durch Anreicherung Zeitliche Mittelung von Konzentrationsschwankungen Konzentration?? aktive/konventionelle Probe Einzelanalyse??? passive Probe Mittelwert Zeit Nachteile Einfluss von Biodegradation, Bildung von Biofilmen kann eine Rolle spielen Sammelrate wird bei einigen Sammlern von Temperatur und vor allem dem schwer ermittelbarem Volumenstrom des GW beeinflusst

30 Aktive und passive Probenahme Repräsentativer Probenahmebereich volumenintegrierend => ortsungenau Aktiv punktorientiert => ortsgenau Passiv punktorientiert => zeitliche Mittelung X L/sec 0,X L/min????? Zeit

31 NATURAL Innovative ATTENUATION Mess- und Probenahmetechniken Working with nature im Grundwassermonitoring St. Gallen 2010 Innovative Mess- und Probenahmetechniken im Grundwassermonitoring imw Innovative Messtechnik Dr. Weiss, Tübingen