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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Forschung: Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS)

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DBU-Projektverbund: High-Tech-Methoden zur Untergrundsondierung - Teilprojekt 1: Entwicklung von Messsystemen zur sensorgestützten in situ-Sondierung von Industriebrachen
Projektleiter:PD Dr.-Ing. Baldur Barczewski
Stellvertreter:Dr.-Ing. Norbert Klaas, M.Sc.
Wissenschaftliche Mitarbeiter:Dipl.-Ing. Martin Müller
Dr.-Ing. Norbert Klaas, M.Sc.
Dr.-Ing. Katrin Batereau
Projektdauer:1.1.2002 - 31.3.2005
Finanzierung:Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
Kommentar:

Dieses Projekt gehört zum Forschungsschwerpunkt:
Messtechnik und Erkundung

Publikationen: Link

Zusammenfassung:

Das Projekt ist Teil des Verbundvorhabens "High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung". In der Bundesrepublik Deutschland werden jährlich ca. 100 ha Land für Siedlung und Verkehr verbraucht, die Hälfte dieser Fläche wird dabei versiegelt. In den letzten 50 Jahren hat sich die Siedlungs- und Verkehrsfläche in den alten Bundesländern nahezu verdoppelt. Während einerseits neue Gewerbe- und Wohngebiete auf der grünen Wiese entstehen, wächst der Anteil an Brachflächen. Ein Lösungskonzept zur Verminderung des Flächenverbrauchs ist die konsequente Umsetzung eines Flächenrecyclings, also der Wiedernutzung von industriellen, gewerblichen oder militärischen Brachflächen, vor allem im urbanen Bereich. Dies sind in aller Regel altlastverdächtige Flächen. Um eine zügige und belastbare Erkundung dieser Flächen zu gewährleisten, können Analyseverfahren, die vor Ort eingesetzt werden, wichtige Vorteile bringen. Aus diesem Grund hat die DBU das Verbundvorhaben "High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung" gefördert. Ziel des Verbundes war es, konventionelle, handgehaltene bis mittelschwere Sondiersysteme mit kostengünstigen und modernen Sensoren auszurüsten. Damit sollen bereits bei den Erkundungsarbeiten analytische Signale erzeugt und ausgewertet werden können. Das Verbundvorhaben wurde in 14 eigenständige Vorhaben untergliedert, die organisatorisch klar voneinander abgegrenzt waren und eigene Vorhabensziele beinhalten.

Im Einzelvorhaben "Entwicklung von Messsystemen zur sensorgestützten in situ-Sondierung von Industriebrachen" sollen bestehende Sensorsysteme in handgehaltene konventionelle Sondiergeräte so eingebracht werden, dass während der Erkundungsarbeiten bei der Schadstoffdetektion auf Altstandorten analytische Signale unmittelbar erzeugt, registriert und ausgewertet werden. Dabei kommen unterschiedliche Sensorsysteme für unterschiedliche Schadstoffphasen zum Einsatz: für gelöste Schadstoffe im Grundwasser, für Schadstoffe in Phase (NAPL) und für flüchtige Schadstoffe in der Bodenluft. Durch die Nutzung von Standardsensoren sollen preisgünstige und einfach zu handhabende Messsysteme aufgebaut werden. Durch die Verfügbarkeit der Daten im Feld kann eine rasche Reaktion auf die Erkundungsergebnisse, z. B. mit einer Messrasteroptimierung, erfolgen. Die Sensoren sollen je nach Aufgabenstellung stoffgruppenspezifische Summensignale liefern, anhand derer eine Abschätzung der im Boden vorliegenden Schadstoffgruppen sowie deren Konzentrationsbereiche durchgeführt werden kann. Für das Vorhandensein von Schadstoffphase (NAPL) ist ein Ja/Nein-Signal zur Detektion ausreichend. Ziel ist die gesicherte Beurteilung von Altstandorten hinsichtlich ihres Schadstoffinventars und der kontaminierten Bereiche nach den Grenzwerten der orientierenden Erkundung.

In der ersten Etappe des Projektes sollen die schon bestehenden Sensorsysteme auf die prinzipielle Eignung zur Schadstoffdetektion bei Altstandorten überprüft werden. Dafür wird der Referenzstandort die geeigneten Randbedingungen zur Verfügung stellen und der Projektkoordinator die Anforderungen an Sensoren und Sensorsysteme formulieren. In der zweiten Etappe sollen die Sensoren an die Sondiertechnik angepasst werden und die Sondentechnik geeignet modifiziert werden, dass feldfähige Geräte aufgebaut werden. Diese sollen an zwei Modellstandorten getestet werden. In der dritten Etappe sollen die Vor-Ort-Erkundungsgeräte so weiterentwickelt werden, dass feldfähige Prototypen mit entsprechenden Standardarbeitsvorschriften entwickelt werden und von Ingenieurbüros ohne Spezialisten angewendet werden können. Diese sollen an Referenzstandorten für die Praxis getestet werden.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sind drei in-situ Messgeräte für gelöste, gasförmige und Schad-stoffe in Flüssigphase entwickelt und als Prototypen realisiert worden. Basierend auf vorhandener Messtechnik sind ein Fluorometer zur Messung von gelösten PAK im Grundwasser, ein Bodenluft-Messgerät und ein Schadstoffphasen-Detektor so weiterentwickelt worden, dass sie innerhalb einer Rammsonde betrieben werden können. Dabei werden die Messgeräte von einem Li-Ion-Akku mit Energie versorgt und drahtlos über eine Bluetooth- und eine Infrarot-Verbindung ferngesteuert. Dadurch wird die Handhabung der Geräte stark vereinfacht und eine Datenübertragung auch an entfernte Orte ist möglich. Die miniaturisierten Messgeräte werden von Mikrocontrollern gesteuert, die das gesamte System, bestehend aus Probenahme, Datenerfassung und -übertragung, steuern und mit einem entfernten Steuerrechner kommunizieren. Die Probleme, die durch die Miniaturisierung der komplexen Systeme und durch die mechanische Beanspruchung beim Rammen entstehen, konnten durch teilweise völlig neue Hardwarelösungen sowie entsprechende Lagerung und Federungen erfolgreich gelöst werden.
Die entstandenen Messsysteme sind mit Schadstoffproben kalibriert und anschließend sowohl in der VEGAS-Versuchshalle an künstlichen Kontaminationen als auch in Feldversuchen an realen Kontaminationen beim Rammen mehrfach praktischen Prüfungen in Bezug auf Robustheit und Handhabung unterzogen worden. Die entwickelten Vor-Ort-Messgeräte liefern derzeit nur halbquantitative Einzelstoffmessungen. Zusätzlich können im Untergrund besonders auf Altlasten weitere, bei der Kalibrierung bisher nicht berücksichtigte Stoffe vorkommen, die das Messsignal beeinflussen. Daher müssen momentan nach wie vor zusätzlich Proben für die Laboranalytik als Referenzmessung zur Quantifizierung der Schadstoffkonzentration gewonnen werden. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Messtechnik für das gesamte mögliche Stoffspektrum zu validieren. Verbesserungsmöglichkeiten liegen ebenfalls in der Rettungsmöglichkeit der Messtechnik im seltenen Fall eines Gestängebruchs. Durch die vor Ort verfügbaren Messergebnisse wird eine interaktive Probenahme möglich. Hierfür sind in Zukunft geeignete Strategien zur sinnvollen und ergebnisgesteuerten Wahl der Sondierpunkte zu entwickeln.

Mit den entstandenen Systemen sind Vor-Ort-Messgeräte entstanden, die Messsignale direkt auf dem Standort erzeugen. Hiermit werden eine flexible Vorgehensweise bei der Festlegung der Messpunkte und damit eine ergebnisgesteuerte Sondierung ermöglicht. Durch die Messung direkt im Boden oder Grundwasserleiter werden Fehler durch Probenahme, -transport und -lagerung bei der Erkundung nahezu völlig ausgeschaltet. Zusätzlich können weitere Informationen, wie Tiefenprofile der Schadstoffverteilung, erfasst werden. Das Projekt hat mit den entwickelten Geräten zu einer deutlichen Verbesserung der Situation bei der Erkundung von kontaminierten Standorten geführt. Es leistet damit einen wichtigen Beitrag zur möglichen Wiedernutzung von Brachflächen oder Gefahrenabschätzung bei Chemieunfällen.