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Ökologie

1.1.08 Sauerstoff-Direktgasinjektion – Messung und Modellierung von dynamischen Gasspeichern

Viele organische Schadstoffe im Grundwasser sind unter aeroben, sprich sauerstoffhaltigen Bedingungen biologisch abbaubar. Durch die Zugabe von Sauerstoff können die Abbauprozesse beschleunigt werden. Eine relativ kostengünstige Möglichkeit, zusätzlichen Sauerstoff im Untergrund bereitzustellen, ist die Direktgasinjektion. Ein Projektteam untersuchte die Prozesse, die die Effizienz solcher Direktgasinjektionen in poröse Medien (Grundwasserleiter) bestimmen, und entwickelte Prognosemodelle für den Einsatz des Verfahrens in der Sanierungspraxis. Auf Basis der Forschungsergebnisse wurden bereits mehrere Demonstrationsprojekte erfolgreich durchgeführt.

Eine Möglichkeit, den Abbau von Schadstoffen im Untergrund zu beschleunigen, sind sogenannte Direktgasinjektionen – ein Verfahren der In-situ-Sanierung. Mittels horizontal und vertikal beweglicher Injektionslanzen wird Sauerstoff gezielt im Abstrom des kontaminierten Grundwassers eingebracht. Dort setzt er sich in Form fein verteilter Bläschen im Grundwasserleiter fest. Gering durchlässige Sedimentschichten hindern das Gas daran, nach oben zu entweichen. Stattdessen bilden sich sauerstoffdurchströmte Kapillarnetzwerke, die sich seitlich ausdehnen. Die immobile Gasphase wirkt hydraulisch und biologisch wie eine reaktive Sauerstoffwand, die das durchströmende Grundwasser reinigt. Das heißt, die Bläschen lösen sich langsam auf und reichern das vorbeifließende Grundwasser mit Sauerstoff an, was den Abbauprozess der enthaltenen Schadstoffe unterstützt, während von oben immer wieder neuer Sauerstoff zugeführt wird.

Raumwirkung des Gasspeichers steuern

Das BMBF finanzierte von 2000 bis 2010 die Demonstrationsprojekte SAFIRA, PROINNO 1 und 2 sowie ZIM, die dieses Verfahren erforschen. Untersuchungsstandorte sind beispielsweise das Gelände einer ehemaligen Chemiefabrik in Leuna und das Leipziger Naherholungsgebiet Auensee, das von einer PCE-TCE-Grundwasserkontamination bedroht ist. Konventionelle Technologien zur Direktgasinjektion gehen von einer homogenen Gasverteilung um die Injektionslanze aus. Die tatsächliche Verteilung wird nicht gemessen, das heißt, diese Technologien arbeiten „blind“. Grundsätzlich verhält sich die Gasverteilung an Injektionslanzen wie ein dynamischer Gasspeicher, der aus baumartig-verästelten und zusammenhängenden (kohärenten) Gaskanälen und nichtzusammenhängenden (inkohärenten) Gasclustern besteht.

3D-Darstellung einer Gasverteilung im Untergrund bei NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion

3D-Darstellung einer Gasverteilung im Untergrund bei NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion
3D-Darstellung einer Gasverteilung im Untergrund bei NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion
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Diese dehnen sich durch die Injektions- beziehungsweise Auflösungsprozesse aus oder ziehen sich zusammen.

Innovativer Kern und wissenschaftliche Herausforderung der Projekte war die kleinskalige messtechnische Erfassung der Gasausbreitungs- und Speicherprozesse im heterogenen Untergrund sowie deren Interpretation und kontrollierte Steuerung mithilfe von Computermodellen. Ziel war es, die Raumwirkung des Gasspeichers zu steuern. Neben der konventionellen Niedrigdruck-Injektion (NDI) untersuchten die Wissenschaftler erstmals auch die Hochdruck-Injektion (HDI).

Besseres Monitoring

Die Firma Sensatec aus Kiel entwickelte zusammen mit dem UFZ-Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle eine neue Anlagentechnik zur gekoppelten NDI-HDI-Direktgasinjektion. Parallel dazu entstand ein zuverlässiges In-situ-Gasmesssystem und ein dynamisches Gasausbreitungsmodell, auf dessen Grundlage das neue Injektionsverfahren gesteuert und optimiert werden kann. Das Messsystem ist dank eines neuartigen Sets von Sensoren (Sensorarray) in der Lage, in schneller Abfolge große Datenmengen zu messen und zu speichern. Damit ist es geeignet, die sich verändernden Gastransport- und Gasspeicherprozesse im heterogenen Untergrund zu erfassen. Da diese wesentlich schneller als typische Grundwassertransportprozesse ablaufen, sind Standardsysteme ungeeignet für dieses Monitoring. Zu den Messdaten errechneten die Wissenschaftler mittels geeigneter geostatistischer Verfahren Zwischenwerte (Interpolation) und visualisierten die gesamten Daten in 3D.

Diese 3D-Datenfelder bildeten die Grundlage für die Entwicklung des Gasausbreitungsmodells.

Beispiel für die 3D-Computersimulation der Gasverteilung bei einer NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion

Beispiel für die 3D-Computersimulation der Gasverteilung bei einer NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion
Beispiel für die 3D-Computersimulation der Gasverteilung bei einer NDI- bzw. HDI-Direktgasinjektion
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Technologisch relevante Ergebnisse

Die Forschungsprojekte erbrachten folgende Ergebnisse:

Projekt-Website http://safira.ufz.de

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
Department Hydrogeologie

Prof. Dr. Helmut Geistlinger
Theodor-Lieser-Straße 4
06120 Halle
Tel.: 03 45/5 58-52 20
Fax: 03 45/5 58-55 59
E-Mail: helmut.geistlinger@ufz.de
Förderkennzeichen: 02WT9947/8
Water as a resource
Schnellübersicht
Projekt-Website

www.ufz.de/?en=1623