LHKW-Erkundung mittels Membrane Interface Probe (MIP) und BAT-Grundwasserprobennahme in Kombination mit der elektrischen Drucksondierung

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1 Dr. Michael Neuhaus () Technische Grundlagen Die genaue Tiefenlage von Schadstoffahnen im Grundwasser ließ sich bislang ausschließlich durch teufendifferenzierte Beprobung von Messstellen und Laboranalytik ermitteln. Dieses Verfahren ist zeit- und kostenaufwendig und liefert zudem nur bedingt verläßliche Aussagen über die genaue Lage der Hauptbelastungsbereiche. FUGRO verfügt mit dagegen über ein System, das in der Lage ist, Kontaminationen des Bodens und Grundwassers auch in größeren Tiefen zentimetergenau zu lokalisieren und deren Mächtigkeit zu ermitteln. Es ist zudem möglich, die vertikale und horizontale Kontaminationsverteilung in Abhängigkeit von der Geologie darzustellen. Die elektrische Drucksonde ist ein mobiles Gerät zur wirtschaftlichen Untergrunderkundung in Lockersedimenten. Beim Drucksondierverfahren wird eine zylindrische Sondierspitze im Durchmesser 41 mm mit konstanter Geschwindigkeit und einem Druck von max. 200 kn hydraulisch in den Untergrund gedrückt. Die erforderliche Reaktionskraft wird im Falle eines Sondier-LKW durch Eigengewicht oder bei leichteren Geräten durch Verankerung aufgebracht. Die von der Sonde gemessenen Daten werden elektrisch über im Hohlgestänge gezogene Kabel zu Datenaufnehmern im Sondiergerät übertragen. Zur Messung der Untergrunddaten und zur Entnahme von Bodenluft-, Wasser- und Bodenproben stehen verschiedene Sonden zur Verfügung. Je nach Bodenbeschaffenheit und Sondenart werden unterschiedliche Tiefen erreicht, die zum einen durch die maximale Reaktionskraft, zum anderen durch bauartbedingte Maximalbelastungen der Sonden begrenzt sind. Zur lateralen und vertikalen Eingrenzung einer LHKW-Kontamination kommt die MIP-Sonde (Membrane Interface Probe) in Verbindung mit einer CPT-Standardspitze sowie das Grundwasserprobenahmesystem BAT zum Einsatz. Die CPT-Sonde Das Cone Penetrometer (CPT: Cone Penetration Test) dient der Erkundung des geologischen Untergrundaufbaus. Dazu wird der an der Meßspitze auftretende Eindringwiderstand als Spitzendruck und der am Sondenmantel auftretende Widerstand als Mantelreibung über Kraftmeßelemente aufgenommen und aufgezeichnet. Aus Spitzendruck und Mantelreibung wird das Reibungsverhältnis ermittelt, welches für die verschiedenen Bodenarten charakteristisch ist und somit Aussagen über den geologischen Untergrundaufbau liefert. Insbesondere lassen sich Schichtgrenzen in einer Auflösung von 2 cm genau erkennen.

2 - Seite 2 - Abbildung 1: Querschnitt der CPT-Standard-Spitze Bei größeren Sondiertiefen ist es wichtig, die Neigung der Sonde (Abweichung von der Lotrechten) zu kennen. Zum einen nimmt die Belastbarkeit des Systems mit wachsender Neigung ab, zu anderen ist eine zentimetergenaue Zuordnung der Schichten nur innerhalb bestimmter Neigungstoleranzen möglich. Aus diesem Grund befindet sich ein Inklinometer in der Sonde, das kontinuierlich deren Neigungswinkel mißt. Der Durchmesser der Sonde beträgt 41 mm. Die Abmessungen entsprechen der DIN 4094 und den Empfehlungen der ISSMFE (International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering). Die MIP-Sonde Die MIP-Sonde (MIP: Membrane Interface Probe) ist eine Entwicklung der Fa. GEOPROBE und wurde von FUGRO für den Einsatz mit der Drucksondiertechnik weiterentwickelt.. Sie dient der Erfassung leicht- bis mittelflüchtiger Substanzen (VOC: Volatile Organic Compounds, z.b. LHKW, BTEX) in der gesättigten und ungesättigten Bodenzone. Bedingt durch die patentierte Weiterentwicklung des Systems kann MIP als Adapter in Kombination mit der CPT-Sonde eingesetzt werden. Dies bietet den Vorteil, dass sich die vertikale VOC- Verteilung direkt den geologischen Gegebenheiten zuordnen lässt. So können z.b. an schluffigen oder feinsandigen Sedimenten im Grundwasserleiter adsorbierte LHKW zuverlässig erkannt werden,

3 - Seite 3 - deren schlechte Mobilisierbarkeit bei der Planung hydraulischer Sanierungsmassnahmen unbedingt berücksichtigt werden muss. Das MIP-System besteht aus einer Sonde, an deren Mantel eine semipermeable Membran angebracht ist. Die hydrophobe Beschichtung der Membran ist nur für gasförmige Stoffe, nicht aber für Flüssigkeiten durchlässig. Während des Sondiervorgangs wird die Membran permanent auf ca C Lufttemperatur erhitzt. Dadurch werden leicht- bis mittelflüchtige Substanzen in der Umgebung verdampft und diffundieren durch die Membran in die dahinterliegende Kammer (s. Abbildung 2). Über eine Kapillare im Sondiergestänge wird Stickstoff als inertes Trägergas mit gleichbleibendem Druck durch eine hinter der Membran befindliche Kammer und anschließend wieder nach oben zum Sondierfahrzeug geleitet. In der Membrankammer werden die VOC vom Trägergasstrom erfasst, nach oben geleitet und im Sondierfahrzeug kontinuierlich über drei Detektoren, einem PID (Photoionisationsdetektor), einem FID (Flammenionisationsdetektor) und einem DELCD (Dry Electrolytic Conductivity Detector) gemessen. Abbildung 2: Querschnitt und Funktionsweise der MIP-Sondierspitze In Abhängigkeit von den durchteuften Bodenschichten kühlt die Membrantemperatur während des Sondiervorgangs ab. Die Sonde wird daher ca. alle 30 cm angehalten, um eine Umgebungstemperatur von ca. 90 C und damit eine entsprechend hohe Ausbeute an flüchtigen Substanzen zu gewährleisten.

4 - Seite 4 - Das Verfahren gleicht der Headspace-Analyse im Labor, die ebenfalls zur Messung flüchtiger organischer Substanzen (LHKW, BTEX) verwendet wird. Der FID reagiert dabei allgemein auf organisch gebundenen Kohlenstoff, während der PID bei einer UV-Lichtquelle von 10,6 ev diejenigen VOC erfasst, deren Ionisationspotentiale unterhalb dieser Anregungsenergie liegen. Der DELCD hingegen reagiert ausschliesslich auf Chor, im Falle der LHKW also auf organisch gebundenes Chlor. Dabei wird das aus dem FID nach der Verbrennung austretende Gas durch die Detektorzelle geleitet, in der evtl. enthaltenes Chlor bei hoher Temperatur (ca C) zu Chlordioxid umgewandelt und über eine Leitfähigkeitsmesszelle detektiert wird. Alle drei simultan aufgenommenen Detektorprofile gestatten neben der summarischen Erfassung des Kontaminationsprofils auch eine hinreichende Selektivität der Komponenten. So reagieren sie, wie in Tabelle 1 verdeutlicht, in Abhängigkeit von den Stoffeigenschaften mit unterschiedlicher Empfindlichkeit. SUBSTANZ PID FID DELCD PCE TCE cdce tdce VC TCA Benzol Toluol Ethylbenzol Xylole Tabelle 1: Detektionsverhalten relevanter LHKW und BTEX-Aromaten (PCE: Tetrachlorethen, TCE: Trichlorethen, cdce: cis-1,2-dichlorethen, tdce: trans-1,2-dichlorethen, VC: Monochlorethen (Vinylchlorid), TCA: Trichlorethan) (Nachweisempfindlichkeit +++ = gut, ++ = mittel, + = gering, - = kein Nachweis) Bei gleichzeitigem Vorkommen von z.b. BTEX und LHKW ist damit eine Unterscheidung und Zuordnung der Kontaminationshorizonte möglich.

5 - Seite 5 - Das BAT-System Das Grundwasserprobennahmesystem BAT besteht aus einer Filterspitze, welche mit einem Hohlgestänge zunächst auf die gewünschte Tiefe gedrückt wird. Durch Zurückziehen des Gestänges um 10 cm wird der Sondenmantel geöffnet und legt eine Filterstrecke frei (Sinterstahlfilter, Porengröße 20 µm, Außendurchmesser 33 mm, Höhe 100 mm), die vom Grundwasser durchströmt wird (s. Abbildung 3). Im Hohlgestänge wird nun über ein Shuttle-System ein evakuiertes Glasgefäß (Volumen 130 ml) herabgelassen, das über eine Doppelnadel an den Filterraum andockt und sich mit Grundwasser füllt. Die so gewonnene Probe ist gasdicht und steht in Abhängigkeit von der Entnahmetiefe unter dem jeweiligen hydrostatischen Druck. Die Probenmenge lässt sich durch wiederholtes Herablassen der Probengefäße erhöhen. Das BAT-Verfahren ermöglicht dadurch die Entnahme von Grundwasserproben, die weitestgehend die am Ort der Probennahme vorliegenden hydrochemischen und physikalischen Bedingungen repräsentieren. Dies ist vor allem bei zu analysierenden leichtflüchtigen Komponenten oder redoxabhängigen Verbindungen ein unschätzbarer Vorteil. Um im gleichen Sondierloch einen tieferen Horizont zu beproben, wird die Garnitur ausgebaut und mit einer dekontaminierten Filterspitze bis zur neuen Entnahmetiefe wieder eingedrückt. Analog zur Wasserprobenahme im gesättigten Bodenbereich lassen sich in der ungesättigten Bodenzone gezielte Bodenluftprobennahmen durchführen. Die BAT-Sonde besitzt ebenso wie das verwendete Hohlgestänge einen Außendurchmesser von 55 mm. Dichtung Druckcasing (Innendurchmesser mindestens 1") Seilzug Gehäuse O-Ring Probenahmeröhrchen mll Verschlußkappe mit Dichtung Edelstahlhülse rückziehbar spitze Sinter-PE- Filter (20 Mikron Porengröße) Dichtung der Enviroprobe O-Ring Edelstahlhülse Doppelenden- Injektionsnadel Edelstahlkörper Edelstahl- PE-Filter Spitze Enviroprobe Enviroprobe BAT-Probenehmer Geschlossen Geöffnet Probenahmeposition BAT- ENVIROPROBE und Grundwasserprobenehmer Abbildung 3: Schematischer Aufbau des BAT-Systems

6 - Seite 6 - Fallbeispiel Im Rahmen der Sanierungsuntersuchung einer chemischen Reinigung war die Frage nach der lateralen und vertikalen LHKW-Distribution zu klären. Bei der Boden- und Grundwasserkontamination handelt es sich um 95% PCE, Biodegradation findet nur in geringem Maße statt. Die Schadstoffahne ließ sich durch die abgeteuften MIP-CPT-Sondierungen hinreichend genau kartieren. Abbildung 4 zeigt beispielhaft das Kontaminationsprofil einer im Abstrom des Schadenszentrums abgeteuften MIP-Drucksondierung. Teufe [m u. GOK] Spitzendruck [MPa] Reibungsverhältnis Geologische Membrantemperatur DELCD PID FID [%] Interpretation [ C] [V] [V] [V] Teufe [m u. GOK] ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0, ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,00 1,80 Vorschachtung ,80 3,40 Mittelsand, feinsandig, vereinzelt schluffig ,40 3,70 Schluff 3, ,80 Mittelsand, feinsandig, vereinzelt schluffig ,80 8,20 Feinsand 8,20 8,30 Grobsand 8,30 8,60 Feinsand 8,60 8,90 Schluff, tonig 8,90 10,40 Grobsand, mittelsandig ,40 10,80 Schluff, tonig 10,80 11,20 Schluff, feinsandig 11, ,20 Grobsand, mittelsandig, vereinzelt feinsandig ,20 19,02 Ton, schluffig, sandig, Geschiebemergel, Endteufe ,02 19 Sondierprofil MIP 1 Projekt: Auftraggeber: Sondierdatum: Vertikalmaßstab: 1:100 Anhang I Projekt-Nr.: Bearbeiter: MN Datei: Zweigniederlassung Niedersachsen-Ost Ehlbeek 15 A Burgwedel Tel. (05139) , Fax (05139) Abbildung 4: MIP-Sondierprofil mit Spitzendruck, Reibungsverhältnis, geologischer Interpretation, Membrantemperatur und Kontaminationsprofilen