DE69510746T2

DE69510746T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem kontaminierten Bodenbereich

Info

Publication number: DE69510746T2
Application number: DE69510746T
Authority: DE
Inventors: Alfonso R. Mancini; Richard A. Williams
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: JPH08192138A; EP0707899A1; US5464309A; DE69510746D1; EP0707899B1; JP3805414B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von chemischen Verunreinigungen aus Grundwasser und konkret betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei mittels Vakuumextraktion Verunreinigungen des Bodens sowohl aus gesättigten als auch aus vadosen Zonen entfernt werden.
In US-A-5,076,360, welche EP-A-498676 entspricht, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem kontaminierten Bodenbereich mit einer vadosen Zone und einem Grundwasserspiegel offenbart, wobei ein Bohrloch in dem kontaminierten Bereich bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels geschaffen wird, in das Bohrloch ein inneres, perforiertes Steigrohr bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels eingesetzt wird, in das innere, perforierte Steigrohr ein erstes Vakuumextraktionsrohr eingebracht wird, während zugleich ein Gas (Luft) ein Vakuum an das erste Vakuumextraktionsrohr anlegt, damit die Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das erste Vakuumextraktionsrohr eingesaugt werden, aus der gemeinsamen Zweiphasenströmung mindestens eine vorrangig flüssige Strömung und mindestens eine gasförmige Strömung entstehen und die voneinander getrennten flüssigen und gasförmigen Strömungen separat behandelt werden.
In US-A-5,050,676 und US-A-5,197,541 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen aus dem Boden sowohl oberhalb als auch unterhalb des Grundwasserspiegels offenbart. Das Verfahren umfaßt das Einsetzen eines perforierten Steigrohrs in ein Bohrloch in einem ausgewählten Teil des kontaminierten Bereiches, wobei sich die Perforationen des Steigrohrs unterhalb des Grundwasserspiegels befinden. Wahlweise können sich einige der Perforationen im Steigrohr auch in der vadosen Zone oberhalb des Grundwasserspiegels befinden. Anschließend wird ein Vakuum an das Rohr angelegt, so daß Gase und Flüssigkeiten aus dem Boden in das Rohr angesaugt und als gemeinsame Strömung an die Oberfläche transportiert werden. An der Oberfläche wird die gemeinsame Strömung in eine che transportiert werden. An der Oberfläche wird die gemeinsame Strömung in eine vorwiegend flüssige und eine vorwiegend gasförmige Strömung geteilt, und anschließend werden die getrennten Strömungen auch separat behandelt.
US-A-5,172,764 offenbart ein Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem kontaminierten Bodenbereich mit einer vadosen Zone und einem Grundwasserspiegel, welches umfaßt: die Schaffung eines Bohrloches in dem kontaminierten Bereich, das Einsetzen eines perforierten Steigrohrs, in dessen Innern sich ein Vakuumextraktionsrohr mit einer Öffnung an oder in der Nähe eines beliebigen Punktes unterhalb des Grundwasserspiegels innerhalb des perforierten Steigrohrs befindet, in das Bohrloch, während gleichzeitig ein Gas in das Steigrohr eingeleitet wird, ein Vakuum an das Vakuumextraktionsrohr angelegt wird, um Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das perforierte Steigrohr und aus dem Steigrohr in das Vakuumextraktionsrohr einzusaugen und sowohl die Gase als auch die Flüssigkeit als eine gemeinsame Strömung an die Oberfläche zu befördern, eine vorwiegend flüssige Strömung und eine vorwiegend gasförmige Strömung aus der gemeinsamen Strömung gebildet wird und die voneinander getrennten flüssigen und gasförmigen Strömungen separat behandelt werden. Zudem ist eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens offenbart.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Entfernen von Bodenverunreinigungen durch ein Vakuumextraktionsrohr in einem Brunnen zu schaffen, wobei sich die Tiefe des Extraktionsrohres im Brunnen problemlos einstellen läßt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Entfernen von Bodenverunreinigungen mittels Vakuumextraktion, wobei die Kontamination der Vakuumquelle und der Ausrüstung zur Durchführung des Verfahrens vermindert oder eliminiert wird.
Die Erfindung erreicht diese Ziele mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom Stand der Technik (EP-A-498 676) dadurch, daß zuerst ein äußeres perforiertes Steigrohr eingesetzt wird, welches im Innern das innere perforierte Steigrohr aufnimmt, ein weiteres Vakuumextraktionsrohr in das äußere perforierte Steigrohr eingeführt wird, allerdings außerhalb des inneren perforierten Steigrohrs, wobei die Einleitung von Gasen in das äußere perforierte Steigrohr außerhalb des inneren perforierten Steigrohrs um Gase und Flüssigkeit in beide Vakuumextraktionsrohre einzusaugen, und sich die Gas-/Flüssigkeitsströme aus beiden Vakuumextraktionsrohren zu dem gemeinsamen Zweiphasenstrom vereinigen.
In den nachgeordneten Patentansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen definiert.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt ist, welche eine Einrichtung zur Vakuumextraktion von Schadstoffen aus einem kontaminierten Bodenbereich zeigt,
Fig. 2 ein Querschnitt eines Extraktionsbrunnens in Seitenansicht ist;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Vorrichtung zum Befördern und Behandeln von mittels Vakuumextraktion aus dem Boden entnommenen Stoffen ist und
Fig. 4 ein Querschnitt eines Lufteinlaßbohrloches in Seitenansicht ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem Grundwasser und Erdboden. Derartige Verunreinigungen können in der vadosen Zone und/oder unterhalb des Grundwasserspiegels vorliegen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: das Schaffen eines Bohrloches in dem kontaminierten Bereich bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels, das Einsetzen eines ersten perforierten Steigrohres in das Bohrloch bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels, das Einsetzen eines zweiten perforierten Steigrohres in das erste perforierte Steigrohr, das Einsetzen eines ersten Vakuumextraktionsrohres, dessen Bodenöffnung sich innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres befindet, in das zweite perforierte Steigrohr, das Einsetzen eines zweiten Vakuumextraktionsrohres in das erste perforierte Steigrohr, jedoch ohne das zweite perforierte Steigrohr, während gleichzeitig ein Gas in das zweite perforierte Steigrohr eingeleitet wird, ein Vakuum an das erste Vakuumextraktionsrohr angelegt wird und ein Vakuum an das zweite Vakuumextraktionsrohr angelegt wird, damit Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das erste Vakuumextraktionsrohr und das zweite Vakuumextraktionsrohr eingezogen und sowohl die Gase als auch die Flüssigkeit als gemeinsamer Zweiphasenstrom durch das erste Vakuumextraktionsrohr und das zweite Vakuumextraktionsrohr hindurch an die Oberfläche befördert werden, aus den gemeinsamen Strömen mindestens eine vorwiegend flüssige Strömung und mindestens eine vorwiegend gasförmige Strö Text fehlt
vorwiegend flüssige Strömung und mindestens eine vorwiegend gasförmige Strömung gebildet werden und die voneinander getrennten flüssigen und gasförmigen Strömungen separat behandelt werden. Das behandelte Wasser kann an den Boden zurückgegeben werden oder konventionell entsorgt werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Steigrohre Perforationen auf (Siebvorrichtungen), die nach unten bis unter den Grundwasserspiegel und nach oben bis in die ungesättigte (vadose) Zone hineinreichen. Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform haben die Steigrohre Perforationen (Siebvorrichtungen), die sich lediglich bis unter den Grundwasserspiegel erstrecken. Bei der ungesättigten Zone kann es sich um die natürliche vadose Zone handeln, die über dem Grundwasserspiegel liegt, oder um eine ausgedehnte "künstliche" vadose Zone, die entsteht, wenn der Grundwasserspiegel durch Entnahme von Grundwasser durch den Extraktionsbrunnen absinkt. Durch das Einsetzen der Siebvorrichtung derart, daß sie sich sowohl unterhalb des Grundwasserspiegel als auch in die vadose Zone hinein erstreckt, können Bodengase, einschließlich von Schadstoffen in der Dampfphase, durch Einwirkung eines an die Vakuumextraktionsrohre angeschlossenen Vakuumgenerators in die Steigrohre eingesaugt werden. Die Gase nehmen die flüssige Phase mit, so daß beide Phasen zusammen in einem gemeinsamen Strom durch die Vakuumextraktionsrohre an die Oberfläche transportiert werden können. An der Oberfläche werden die beiden Phasen in einem Dampf/Flüssigkeits-Trenngefäß, beispielsweise ein Zyklonabscheider, ein Auswerfertopf oder eine andere geeignete Komponente, getrennt, und nach der Abscheidung können die Phasen einzeln in Systeme zum Entfernen der Schadstoffe durch weitere Behandlungsschritte geleitet werden. Zu geeigneten Verfahren der Schadstoffbeseitigung gehören die Filtration, Adsorption, Lufttrennung, Abscheidung, Ausflockung, Fällung, Auswaschung und dergleichen. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Steigrohre so aufgebaut, daß sich die Siebvorrichtung jederzeit unter dem Grundwasserspiegel befindet, selbst dann, wenn die Wasserentnahme zu einem örtlichen Absinken des Grundwasserspiegels führt. Bei einer solchen Anordnung befindet sich das an die Oberfläche transportiere Fluid vorrangig in der flüssigen Phase, dennoch kann noch eine Dampf/Flüssigkeits- Abscheidung und die auch die Behandlung der einzelnen Phasen an der Oberfläche erforderlich sein, um die Phasenumwandlung zu beherrschen, die durch Turbulenzen und eine Druckminderung an der Ansaugseite der Vakuumeinrichtung auftreten kann.
Fig. 1 verdeutlicht schematisch ein Vakuumextraktions- und -behandlungssystem, allgemein mit der Ziffer 10 gekennzeichnet. In Fig. 1 ist eine Quelle 12 mit flüchtigen Verunreinigungen zu sehen, die eine Rauchsäule 14 aus adsorbierten, gelösten oder schwebenden Freiphasen- und Gasphasenverunreinigungen im Boden 16 der vadosen (ungesättigten) Zone bildet. Meist sickern die Schadstoffe, aus denen die Rauchsäule 14 besteht, nach unten zum natürlichen Grundwasserspiegel 18 durch. Das Grundwasser bewegt sich in Pfeilrichtung 19. Komponenten, die leichter als Wasser und nicht gelöst sind, sind durch die Kennziffer 20 gekennzeichnet und schweben meist oben auf dem Grundwasserspiegel. Demgegenüber sickern gelöste Verunreinigungen meist in einer Rauchsäule 22 nach unten bis unter den Grundwasserspiegel 18 und Freiphasenkomponenten 24, die schwerer als Wasser sind, ziehen meist nach unten zum Aquitard 26.
Ein Extraktionsbrunnen, der allgemein mit der Ziffer 28 gekennzeichnet ist und gleich näher beschrieben wird, wird in den Bereich der Rauchsäule 14 abgesenkt und verläuft durch die vadose Zone hindurch bis unter den natürlichen Grundwasserspiegel 18. Zu dem Extraktionsbrunnen 28 gehört ein Vakuumextraktionssystem, das mit der Ziffer 32 gekennzeichnet ist und für die Erzeugung eines großen Vakuums - meist zwischen etwa 17,8 cm (7 Inch) bis etwa 73,7 cm (29 Inch) Hg - ausgelegt ist. Gase, die durch das Vakuumextraktionssystem 32 entzogen werden, können bei 34 an die Atmosphäre abgegeben werden, wenn sie die zulässigen Umweltschutzgrenzen einhalten, oder aber weiterverarbeitet werden, z. B. durch Verbrennung oder durch Passieren eines Kondensators, Aktivkohle-Granulatfilters, oder eines ähnlichen Elements 36. Das Element 36 dient dem Entfernen von Schadstoffen aus den extrahierten Gasen. Das bei dem Prozeß abgesaugte Wasser kann durch Hindurchleiten durch konventionelle Systeme zum Entfernen von Metall oder flüchtigen organischen Verbindungen oder aber durch andere Reinigungsschritte behandelt werden. Das behandelte und gereinigte Wasser kann, wenn es an diesem Punkt sauer genug ist, in eine Kläranlage oder, wie bei 38 angegeben, direkt in den Boden zurückgeführt werden. In Fässern 40 können die Schadstoffe zur endgültigen Entsorgung oder Weiterbearbeitung aufbewahrt werden.
In Fig. 2 ist der Extraktionsbrunnen 28 genauer dargestellt. Er weist in der dargestellten Form ein längliches Bohrloch 42 auf, in das ein äußeres perforiertes Steigrohr 53 eingesetzt wird. In dem äußeren Steigrohr 53 befindet sich ein inneres Steigrohr 44. Sowohl das innere Steigrohr 44 als auch das äußere Steigrohr 53 sind unten verschlossen und entweder unter dem Grundwasserspiegel oder unter und über dem Grundwasserspiegel perforiert. Dabei können sich die Perforationen in den Steigrohren in der gleichen Tiefe oder in verschiedenen Tiefen im Boden befinden. Zu den Steigrohren gehört ein unperforierter oberer Abschnitt 46 und ein perforierter (siebartiger) unterer Abschnitt 48. Das äußere Steigrohr 53 und das innere Steigrohr 44 können aus einem beliebigen Werkstoff, beispielsweise Polyvinylchlorid, aus Metallen, wie rostfreiem Stahl, verzinktem Stahl oder dergleichen, aus Kunststoffen, einschließlich Teflon® o. ä., bestehen, wobei das äußere Steigrohr 53 nicht aus dem gleichen Werkstoff wie das innere Steigrohr 44 zu sein braucht. Das äußere Steigrohr 53 und das innere Steigrohr 44 können im Verhältnis zueinander jede beliebige Abmessung haben, solange das innere Steigrohr 44 in das äußere Steigrohr 53 hineinpaßt und vorausgesetzt, der Füllstoff 55 und das Zwischen-Steigrohr 37 (enthält das äußere Extraktionsrohr) können zwischen dem inneren Steigrohr 44 und dem äußeren Steigrohr 53 angeordnet werden. Wie in der abgebildeten Ausführungsform kann das innere Steigrohr 44 einen Durchmesser von 10,1 cm (4 Inch) bis 15,2 cm (6 Inch) aufweisen und das äußere Steigrohr 53 einen Durchmesser von 30,5 cm (12 Inch) bis etwa 35,6 cm (14 Inch), allerdings können auch andere Abmessungen und relative Abmessungen gewählt werden. Der siebartige oder perforierte Abschnitt kann Perforationen jeder beliebigen oder geeigneten Form und Größe aufweisen, zum Beispiel ist bei einer Ausführungsform der perforierte Abschnitt sowohl des inneren Steigrohrs als auch des äußeren Steigrohrs mit 0,025 cm (0,010 Inch) langen Schlitzen versehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Perforationen im äußeren Steigrohr 53 größer (d. h. flächenmäßig größer oder breiter gesiebt) als die Perforationen im inneren Steigrohr 44, so daß manche Partikel, die die Perforationen im äußeren Steigrohr 53 passieren könnten, nicht durch die Perforationen im inneren Steigrohr 44 gelangen können. In dem inneren Steigrohr 44 befindet sich ein Vakuumextraktionsrohr 30 und wahlweise ein zusätzliches inneres Vakuumextraktionsrohr 35. Zwischen der Außenwand des inneren Steigrohres 44 und der Innenwand des äußeren Steigrohres 53 ist ein Zwischen- Steigrohr 37 angebracht, welches das äußere Vakuumextraktionsrohr 33 aufnimmt. Im Hinblick auf die Konfiguration, den Aufbau und die verwendeten Werkstoffe ist das Zwischen-Steigrohr 37 dem äußeren Steigrohr 53 und dem inneren Steigrohr 44 ähnlich, und es ist so groß, daß es zwischen die Außenfläche des inneren Steigrohrs 44 und die Innenseite des äußeren Steigrohrs 53 paßt. Erforderlich ist ein Zwischen- Steigrohr 37 nicht, und das äußere Vakuumextraktionsrohr 33 kann zwischen dem äußeren Steigrohr 53 und dem inneren Steigrohr 44 angeordnet werden, ohne von einem perforierten Steigrohr umgeben sein zu müssen. Allerdings ist ein perforiertes Steigrohr günstig, wenn sich ein Füllstoff zwischen dem äußeren Steigrohr 53 und dem inneren Steigrohr 44 befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Perforationen im äußeren Steigrohr 53 größer (d. h. flächenmäßig größer oder die Sieböffnungen sind größer) als die Perforationen im Zwischen-Steigrohr 37, so daß manche Partikel, die die Perforationen im äußeren Steigrohr 53 passieren könnten, nicht durch die Perforationen im inneren Steigrohr 44 gelangen können. Das Vakuumextraktionsrohr 30, 33 und 35 kann aus einem beliebigen Werkstoff, beispielsweise Polyvinylchlorid, aus Metallen, wie rostfreiem Stahl, verzinktem Stahl oder dergleichen, aus Kunststoffen, einschließlich Teflon® oder dergleichen, bestehen, und entweder starr oder flexibel sein. In der Abbildung befindet sich ein Betonboden bzw. eine -decke am oberen Ende des inneren Steigrohrs 44 und des äußeren Steigrohrs 53, an dem ein Rohrformstück 52 befestigt ist, wodurch die Steigrohre 44 und 53 sowie die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 mit den übrigen Teilen des Vakuumextraktionssystems 32 (in Fig. 2 nicht zu sehen) verbunden werden können, wobei die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 eine Fluidverbindung zu dem Vakuumextraktionssystem haben. Bei einer Ausführungsform haben die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 alle eine Fluidverbindung mit einem einzigen Vakuumextraktionssystem. Alternativ (nicht abgebildet) können auf Wunsch auch zwei oder mehr Vakuumextraktionssysteme verwendet werden, besonders dann, wenn eine einzige Vakuumextraktionspumpe eine begrenzte Förderleistung hat und/oder wenn eine schnelle Extraktion in einem stark kontaminierten Bereich gewünscht wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 mühelos in den Steigrohren 44 und 53 bewegbar, ohne daß der Zweiphasen-Vakuumextraktionsprozeß angehalten werden muß. Zum Beispiel können die Vakuumextraktionsrohre mittels einer Verbindungseinrichtung innerhalb der Steigrohre gehalten werden, mit der das Vakuum innerhalb der Steigrohre aufrechterhalten werden kann und außerdem Vakuumextraktionsrohre auf verschiedene Tiefen im Brunnen nach oben und unten gleiten können. Zu geeigneten Anordnungen gehören vakuumdichte O-Ring-Vorrichtungen, konische Gummi-"Stopper"-Einrichtungen, Vakuum-Druckformstücke und dergleichen, wobei in der Abbildung O-Ringe 51 zu sehen sind. Die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 haben jeweils eine Bodenöffnung innerhalb des äußeren Steigrohres 53 (und innerhalb des inneren Steigrohres 44 wie im Falle der Vakuumextraktionsrohre 30 und 35, und innerhalb des Zwischen-Steigrohres 37 sowie im Falle des äußeren Vakuumextraktionsrohres 33) entweder unter dem Grundwasserspiegel, auf der Höhe des Grundwasserspiegels und geringfügig über dem bzw. nahe am Grundwasserspiegel. Im Boden können die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 in derselben oder in verschiedenen Tiefen enden. In Situationen, da Schadstoffe in zwei oder mehr verschiedenen Tiefen vorliegen, ist es wünschenswert, mehrere Vakuumextraktionsrohre zum Einsatz zu bringen, damit auf jeder Kontaminationsebene mindestens ein Vakuumextraktionsrohr eine Öffnung hat. Wenngleich es nicht notwendig ist, so ist es doch günstig, wenn die Unterseite der Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 nicht genau parallel zur Horizontalen, sondern in einem anderen Winkel endet. Durch das angewinkelte Ende der Rohre wird die Oberfläche der Öffnung vergrößert, wodurch sich der Brunnen leichter anlegen läßt. Bevorzugte Winkel für die Bodenöffnung der Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 liegen etwa zwischen 10º und 80º zur Horizontalen, und am besten bei 45º zur Horizontalen. Darüber hinaus befindet sich am Ende des Extraktionsbrunnens 28 an der Bodenoberfläche oder in deren Nähe ein Lufteinlaß 31, vorzugsweise mit einem Luftstrommesser (nicht abgebildet) versehen, welcher das Einleiten von Luft mit gewünschtem Druck, einschließlich reduzierter Drücke, atmosphärisches Drucks oder höheren bzw. erzwungenen Drucks, in das innere Steigrohr 44 ermöglicht. Wahlweise kann auch ein Lufteinlaß 29 in dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Steigrohr 53 und dem inneren Steigrohr 44 vorgesehen werden, damit in diesen Zwischenraum Luft eingeleitet werden kann. Wenn Luft mit einem höheren als atmosphärischem Druck zugeführt werden soll, kann mittels einer zusätzlichen Pumpe (nicht abgebildet) Luftdruck erzeugt werden, indem der an die Vakuumextraktionsrohre angeschlossene Auslaß der Vakuumpumpe mit den Lufteinlässen 31 und 29 der dergleichen verbunden wird. Die Luftdurchströmmenge durch die Lufteinlässe 31 und 29 kann zwischen nahezu null und einem beliebigen Wert unterhalb der zugelassenen Förderleistung der an die Vakuumextraktionsrohre angeschlossenen Vakuumpumpe liegen. Zwar kann sich bei dem Start des Systems eine gewisse Luftströmung als notwendig erweisen, doch nachdem der Prozeß einige Zeit im Gange ist, kann die Luftströmung in einigen Fällen auf null reduziert werden, so daß keine Luft durch die Lufteinlässe 31 oder 29 in den Brunnen einge leitet wird und das maximale Vakuum an den Boden und das Wasser unter der Oberfläche angelegt werden kann. Darüber hinaus kann die durch die Lufteinlässe 31 und/oder 29 eingeleitete Luft erwärmt werden, um die Extraktion einiger Schadstoffe zu verbessern. Weiterhin können die Lufteinlässe 31 und 29 als Einlaß für andere Materialien oder Chemikalien in das innere Steigrohr 44 und den Extraktionsstrom genutzt werden, da die derart eingeleiteten Chemikalien oder Materialien zusammen mit der Einlaßluft durch das Steigrohr nach unten zu dessen Boden und anschließend mit dem Wasser-Luft-Gemisch durch die Vakuumextraktionsrohre wieder zurück nach oben gelangen, wodurch eine chemische oder andersartige Wechselwirkung mit dem Wasser/Luft-Gemisch herbeigeführt wird. So können beispielsweise Oxidationsmittel oder grenzflächenaktive Mittel oder andere Chemikalien zum Behandeln von Verunreinigungen in Wasser oder Dampf eingeleitet werden, die durch die Vakuumextraktionsrohre entzogen werden. In Situationen, in denen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zusammen mit einem Biotransformationsprozeß zur Anwendung kommen, wobei die Bodenkontaminationen durch Wechselwirkung mit Bakterien oder durch andere biologische Verfahren biologisch in unschädliche Stoffe umgewandelt werden, können zudem ein Gaseinlaß oder mehrere Gaseinlässe zum Einleiten von Nährstoffen für die Biotransformation, beispielsweise Cellulose oder dergleichen, in die Vakuumextraktionsrohre verwendet werden, oder zum Einleiten von Stickstoff zur Verbesserung anaerober Prozesse bzw. von Sauerstoff zur Unterstützung aerober Prozesse. Nähere Informationen über biologische Prozesse zur Behandlung von Bodenkontaminationen sind z. B. in W.K. Ahlert et al., "In situ Bioremediation of Soil Contaminated with Methyl Benzene Species", M.A. Franson "In Situ Bioremediation of Unloaded Gasoline Contaminated Ground Water, Plainfield, Connecticut, A Case Study" und M. Leavitt et al. "Implications of Surfactant Augmentation for In Situ Bioremediation Systems" offenbart, welche sämtlich im Bericht über das Internationale U.S. EPA/A & WMA-Symposium der Air and Waste Management Association (Pittsburgh 1992) mit dem Titel in Situ Treatment of Contaminated Soil and Water enthalten sind, sowie im Bericht der Subsurface Resforation Conference vom 21.- 24. Juni 1992 in Dallas, Texas (Rice University Dept. of Envi. Sci. & Eng., Houston TX 1992).
Allgemein liegt die Flüssigkeit, die durch die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 angesaugt wird, in Form von zwei Phasen vor, nämlich entweder als getrennte Zweiphasenströmung, einschließlich einer geschichteten Strömung, einer wellenartigen Strömung und einer ringförmigen Strömung vor, als intermittierende Zweiphasenströmung, einschließlich einer idealen Strömung und einer trägen Strömung, oder als verteilte Zweiphasenströmung mit einer Blasenströmung und einer Dunstströmung mit in der Flüssigkeit mitgeführten Tröpfchen, Nebel und/oder Dunst, die/der vorzugsweise als träge Strömung auftreten/auftritt. Eine Luftströmung durch das System entsteht durch Anwendung mindestens einer der nachfolgenden Möglichkeiten: Luft aus der ungesättigten (vadosen) Zone; Luft aus der entwässerten, gesättigten Zone; Luft aus der Lufteinlaßvorrichtung 31 (und 29, falls vorhanden) mit reduziertem Druck, atmosphärischem Druck oder erzwungenem Druck; sowie Luft aus dem Gaseinlaß oder den -einlässen 41, 61 und 63 mit atmosphärischem Druck oder erzwungenem Druck. Somit ist es nicht erforderlich, Luft aus dem Boden in der Nähe des Extraktionsbrunnens abzusaugen. Allgemein wird im System eine hohe Dampf/Luft-Geschwindigkeit aufrechterhalten. Die Luftgeschwindigkeit im Vakuumextraktionsrohr sollte ausreichen, damit Wasser in der Dampfphase getragen oder in selbige angehoben werden kann, entweder in Form von Tröpfchen verschiedener Größe oder ähnlichem, die in der Luft mitgeführt werden. Meist reichen Luftgeschwindigkeiten zwischen etwa 30,5 cm (1 Fuß) pro Sekunde bis etwa 6,096 cm (200 Fuß) pro Sekunde oder mehr aus.
Das innere Vakuumextraktionsrohr 30 ist mit mindestens einem Gaseinlaß 41 ausgestattet. Ebenso weist das äußere Vakuumextraktionsrohr 30 einen Gaseinlaß 61 auf, und wahlweise kann auch das zusätzliche Vakuumextraktionsrohr 35 einen Gaseinlaß 63 haben. Konkret mündet der Gaseinlaß 41 durch eine Öffnung in der Seite des inneren Vakuumextraktionsrohres 30 in das innere Vakuumextraktionsrohr 30. Alternativ (nicht dargestellt) kann der Gaseinlaß 41 durch die Bodenöffnung des Vakuumextraktionsrohres 30 in das innere Vakuumextraktionsrohr 30 reichen. Genauso sind auch der Gaseinlaß 61 in bezug auf das äußere Vakuumextraktionsrohr 33 und der Gaseinlaß 63 in bezug auf das wahlweise zusätzliche innere Vakuumextraktionsrohr 35 angeordnet, wenngleich die Vakuumextraktionsrohre nicht unbedingt identisch konfigurierte Gaseinlässe aufweisen müssen. So kann beispielsweise ein Vakuumextraktionsrohr einen Gaseinlaß haben, der durch eine Öffnung in der Seite des Rohres verläuft, während ein anderes Vakuumextraktionsrohr einen Gaseinlaß hat, der durch die Bodenöffnung des Rohres verläuft, und ein drittes Vakuumextraktionsrohr mehrere Gaseinlässe hat. Die Gaseinlässe 41, 61 und 63 befinden sich in Fluidverbindung mit einer Gaszuführung, wobei es sich entweder um atmosphärische Luft oder ein gewünschtes Gas handelt und an der wahlweise ein Luftverdichter vorgesehen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist jeder Gaseinlaß mit seiner eigenen Gaszuführung ausgestattet, alternativ (nicht abgebildet) können zwei oder mehr Gaseinlässe an die gleiche Luftzuführquelle angeschlossen sein. Als Gasversorgung kann ebenfalls ein mit Druckluft gefüllter Behälter dienen. Die Gaszufuhr zu dem Gaseinlaß 41 wird durch das Ventil 45 gesteuert, und falls gewünscht, kann der Druck im Gaseinlaß 41 mit dem wahlweise vorhandenen Druckmesser 47 überwacht werden. Falls gewünscht, kann zusätzlich ein automatischer Regler zum Ein- und Ausschalten des Ventils 45 und/oder zum Regeln der Dauer und/oder des Drucks von dem Gaseinlaß 41 an das innere Vakuumextraktionsrohr 30 zu dem Gaseinlaß 41 hinzugefügt werden. Zudem sind die Gaseinlässe 61 und 63 mit Ventilen ausgerüstet und können ebenfalls wahlweise Druckmesser und/oder -regler aufweisen.
In Betrieb wird entweder vor, während oder nach dem Anlegen eines Vakuums an das Vakuumextraktionsrohr Gas in ein Vakuumextraktionsrohr eingeleitet, so daß eine Zweiphasenströmung innerhalb des Vakuumextraktionsrohres 30 ausgelöst wird. Bei Ausführungsformen, bei denen die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 mit jeweils einem einzigen Gaseinlaß 41, 61 und 63 versehen sind, kann kontinuierlich Gas durch die Gaseinlässe zugeführt werden, da das Vakuum solange an die Vakuumextraktionsrohre angelegt wird, bis die Zweiphasenströmung innerhalb der Vakuumextraktionsrohre entsteht. Dies ist der Zeitpunkt, an dem die Gasströmung durch den Gaseinlaß gestoppt wird. Die tatsächliche Dauer der Gaszuführung durch die Gaseinlässe hängt von Faktoren, wie z. B. Tiefe des Brunnens, Tiefe des speziellen Gaseinlasses innerhalb des Brunnens, Tiefe des Grundwassers innerhalb des speziellen Vakuumextraktionsrohres, Abmessungen des Brunnens, des Vakuumextraktionsrohres und des Gaseinlasses, Druck des durch den Gaseinlaß zugeführten Gases, usw., ab. Bei Brunnen mit einem Durchmesser von 10,1 cm (4 Inch) und einer Einleitung von Gas mit einem Druck von ca. 13,8 · 10&sup4; N/m² bis 41,4 · 10&sup4; N/m² (20 bis 60 pounds per square inch) liegt die typische Dauer der Gaszuführung bei 15 bis 20 Sekunden, wenn der Grundwasserspiegel weniger als 4,6 m (15 Fuß) tief ist, und bei 45 Sekunden, wenn der Grundwasserspiegel zwischen 5,5 m (18 Fuß) und 7,6 m (25 Fuß) tief ist. In einigen Fällen kann die Dauer der Gaszuführung durch den Gaseinlaß 41 5 Minuten oder mehr betragen.
Wenn die Vakuumextraktionsrohre eine Vielzahl von Gaseinlässen (nicht abgebildet) aufweisen, dann wird das Gas zuerst meist durch den am weitesten oben gelegenen Gaseinlaß kontinuierlich eingeleitet, da das Vakuum solange an das Vakuumextraktionsrohr angelegt ist, bis im Vakuumextraktionsrohr von der Tiefe des obersten Gaseinlasses eine Zweiphasenströmung entsteht. An diesem Punkt wird die Gasströmung durch den nächsttieferen Einlaß in Gang gesetzt und solange aufrechterhalten, bis im Vakuumextraktionsrohr von der Tiefe dieses Gaseinlasses eine Zweiphasenströmung ausgeht. Anschließend wird die Gasströmung durch wiederum den nächsttieferen Einlaß ausgelöst und solange aufrechterhalten, bis die Zweiphasenströmung innerhalb des Vakuumextraktionsrohres von der Tiefe dieses nächsten Gaseinlasses ausgeht. Die Gasströmung durch jeden Einlaß kann beendet werden, wenn die Zweiphasenströmung von dieser Tiefe ausgeht, wenngleich es günstiger ist, sie zumindest während einer Überlappungszeit zwischen der Gasströmung durch einen Einlaß und der Gasströmung durch den nächsttieferen Einlaß aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, daß die Zweiphasenströmung in dem Vakuumextraktionsrohr zu keinem Zeitpunkt aufhört. Die Strömungsdauer durch jeden Einlaß und die Überlappungsdauer von zwei oder mehreren Einlässen ist bei jedem Bohrloch anders. Allerdings ist es auch möglich, nacheinander durch jeden Einlaß eine Strömung in Gang zu setzen, ohne eine Überlappung zwischen der Strömung durch einen Einlaß und der Strömung durch einen anderen Einlaß in Gang zu setzen oder eine Strömung in mehreren Einlässen in einer anderen Reihenfolge als nacheinander durch die jeweils tiefergelegenen Einlässe auszulösen. Darüber hinaus kann die Strömung durch mehrere Gaseinlässe auch gleichzeitig initiiert werden. Falls gewünscht, kann die Strömungsdauer durch mehrere Gaseinlässe auch automatisch gesteuert werden, indem jeder Gaseinlaß durch ein Zeitsteuersystem betätigt wird. Allgemein wird die Gasströmung durch den Gaseinlaß bzw. die Gaseinlässe angehalten, nachdem der Zweiphasen-Vakuumextraktionsprozeß erfolgreich eingesetzt hat. Jedoch kann die Strömung durch die Vakuumextraktionsrohre zu verschiedenen Zeiten im Extraktionsprozeß von der gewünschten Zweiphasenströmung abweichen und eine andere Strömungsform annehmen, beispielsweise die einer trägen Strömung. In diesen Perioden kann das Gas auch durch den Gaseinlaß bzw. die Gaseinlässe 41, 61 und/oder 63 eingeleitet und die Strömung in den Vakuumextraktionsrohren 30, 33 bzw. 35 in die gewünschte Zweiphasenform zurückverwandelt werden. Die Gasströmung durch die Gaseinlässe 41, 61 und 63 kann gleichzei tig erfolgen, wobei gleichzeitig in die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 Gas getrennt eingeleitet wird, wobei nicht in alle Vakuumextraktionsrohre Gas eingeleitet wird, oder aber abgestimmt, wobei nach einem Schema oder in Serie Gas in einige oder alle Vakuumextraktionsrohre eingeleitet wird.
Der Gaseinlaß bzw. die Gaseinlässe 41, 61 und 63 können entweder flexibel oder starr sein und aus jedem geeigneten Werkstoff, z. B. aus Polymeren und Kunststoffen, einschließlich Polyvinylchlorid, Teflon®, Polyethylen, Polypropylen oder dergleichen, aus Metallen, z. B. aus rostfreiem Stahl, verzinktem Stahl, Kupfer, Messing oder dergleichen, oder aus jedem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Zwar ist dies nicht zwingend erforderlich, doch einer oder mehrere der Gaseinlässe ist bzw. sind flexibel und um das Vakuumextraktionsrohr herum angebracht, in welches sie spiralförmig mündet/n, wobei die Oberfläche des Gaseinlaßrohres nichthaftend ist (z. B. drahtverspannt), wodurch sich das Gaseinlaßrohr federartig ausdehnen und zusammenziehen kann, wenn das Vakuumextraktionsrohr, an dem es angebracht ist, innerhalb des Brunnens angehoben oder abgesenkt wird. Der Gaseinlaß bzw. die -einlässe 41, 61, 63 kann/können jede beliebige Abmessung haben, welche die gewünschte Strömungsmenge durch die Vakuumextraktionsrohre ermöglicht und meist von den Abmessungen des Vakuumextraktionsrohres, an dem sie sich befinden, von der Tiefe des Brunnens, der Art der Abdichtung um den Brunnen herum und dergleichen abhängt. Im typischen Fall hat in einem Brunnen mit einem Durchmesser von 10,1 cm (4 Inch) z. B. ein Vakuumextraktionsrohr einen Durchmesser zwischen 1,27 cm (1,2 Inch) und 7,6 cm (3 Inch) und ein Gaseinlaßrohr einen Durchmesser zwischen 0,63 cm (1/4 Inch) und 1,27 cm (1/2 Inch). Natürlich können auch andere relative Abmessungen verwendet werden.
Für das Gas, das durch die Gaseinlässe 41, 61 und 63 in die Vakuumextraktionsrohre 30, 33 und 35 eingeleitet wird, kann jeder beliebige Druck angelegt werden. Meist reicht der typische Druck von atmosphärischem Druck außerhalb des Bohrloches (in diesem Fall wird kein Luftverdichter benötigt), bis zu 69 · 10&sup4; N/m² (100 pounds per square inch), wobei Drücke zwischen 13,8 · 10&sup4; N/m² bis 41,4 · 10&sup4; N/m (20 bis 60 pounds per square inch), noch besser zwischen 20,7 · 10&sup4; N/m und 34,5 · 10&sup4; N/m (30 bis 50 ppsi) bevorzugt werden, wenngleich der Druck auch außerhalb dieses Bereiches liegen kann. Höhere Drücke lösen noch schneller eine Zweiphasenströmung innerhalb des Vakuumextraktionsrohres aus und sind möglicherweise bei größeren relativen Wassertiefen wünschenswert (mit relativer Tiefe ist in diesem Fall der Tiefenunterschied zwischen dem Gaseinlaß und dem Grundwasserspiegel innerhalb des Vakuumextraktionsrohres gemeint). Jedes gewünschte Gas kann durch die Gaseinlässe in die Vakuumextraktionsrohre eingeleitet werden. Weiterhin kann die durch die Gaseinlässe 41, 61 und 63 eingeleitete Luft erwärmt werden, falls gewünscht, damit die Extraktion bestimmter Schadstoffe verbessert wird. Desweiteren können die Gaseinlässe 41, 61 und 63 als Einlässe zum Einleiten anderer Materialien oder Chemikalien in das Steigrohr und in den Extraktionsstrom benutzt werden, um eine chemische oder andersartige Wechselwirkung mit dem Wasser/Luft-Gemisch herzustellen. So können beispielsweise Oxidationsmittel oder grenzflächenaktive Mittel oder andere Chemikalien zum Behandeln von Verunreinigungen in Wasser oder Dampf eingeleitet werden, die durch die Vakuumextraktionsrohre entzogen werden. In Situationen, in denen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zusammen mit einem Biotransformationsprozeß verwendet werden, wobei die Bodenverunreinigungen durch Wechselwirkung mit Bakterien oder durch andere biologische Verfahren biologisch in unschädliche Stoffe umgewandelt werden, können zudem ein oder mehrere Gaseinlässe zum Einleiten von Nährstoffen für die Biotransformation, beispielsweise Cellulose oder dergleichen, in die Vakuumextraktionsrohre verwendet werden, oder zum Einleiten von Stickstoff zur Verbesserung anaerober Prozesse bzw. von Sauerstoff zur Unterstützung aerober Prozesse.
Falls gewünscht, können weitere innere Vakuumextraktionsrohre, die sich im inneren Steigrohr 44 befinden, und weitere äußere Vakuumextraktionsrohre, die sich zwischen dem inneren Steigrohr 44 und dem äußeren Steigrohr 53 befinden, zu dem System hinzugefügt werden.
Der obere Abschnitt 46 des äußeren Steigrohres 53 ist von einem Vergußmaterial mit geringer Durchlässigkeit, beispielsweise Bentonitzement 54, umgeben, unter dem sich eine Bentonitdichtung 56 befindet. Der Bereich innerhalb des Bohrloches 42 um den siebartigen unteren Abschnitt 48 des äußeren Steigrohres 53 herum und der Teil des oberen Abschnitts 46 über dem siebartigen unteren Abschnitt 48 ist mit feinem gesiebten Sand 49 gefüllt, wodurch die Gas- und Flüssigkeitsströmung aus dem umgebenden Erdreich in das äußere Steigrohr 53 erleichtert wird. Es ist zwar nicht erforderlich, aber günstig, einen Füllstoff 55 zwischen der Außenwand des inneren Steigrohres 44 und der Innenwand des äußeren Steigrohres 53 zu haben. Bei dem Füllstoff 55 kann es sich um jedes geeignete Medium handeln, welches Gase und Flüssigkeiten durchqueren können, das aber dazu neigt, den Durchtritt von Bodenpartikeln zu verhindern und entweder aus einem natürlichen oder einem synthetischen Werkstoff hergestellt sein kann. Zu Beispielen für geeignete Füllstoffe gehören Sand, Tonarten, Kieselerde, keramische Stoffe, Steine, Sintermetalle, Glasfasern, Kohle, Cellulose, Baumwolle, Perlit, Flugasche, Aluminiumoxide, Polypropylen, Polyester, Polyethylen, Polysulfone, Polycarbonate, Nylon, Rayon, Teflon und dergleichen, ebenso wie Füllstoffgemische.
Der Extraktionsbrunnen 28 ist so aufgebaut, daß der siebartige untere Abschnitt 48 nach unten bis unter den natürlichen Grundwasserspiegel und nach oben bis in die vadose Zone hineinreicht. Die vadose Zone, in die sich der siebartige untere Abschnitt 48 erstreckt, kann der natürliche Grundwasserspiegel 18 oder die erweiterte künstliche vadose Zone sein, die entsteht, wenn durch andauernde Entnahme von Grundwasser durch den Extraktionsbrunnen der Grundwasserspiegel sinkt, wie durch die Bezugsziffer 18' angegeben. Wie in der Darstellung ist der abgesenkte Grundwasserspiegel 18' so angeordnet, daß die Bodenöffnungen der Vakuumextraktionsrohre 30 und 33 unter dem Grundwasserspiegel und die Bodenöffnung des Vakuumextraktionsrohres 35 über dem Grundwasserspiegel liegt. In manchen Situationen, z. B. wenn der Prozeß in extrem sandigem Boden ausgeführt wird, kann der gesenkte Grundwasserspiegel 18' bis auf das Bodenniveau eines oder mehrerer, in manchen Fällen aller Vakuumextraktionsrohre fallen. Durch die Anordnung der siebartigen unteren Abschnitte 48 der Steigrohre 44 und 53 bis unter den Grundwasserspiegel und in die vadose Zone hinein können Bodengase (die Dampfphase) unter Einwirkung des vom Extraktionssystem 32 erzeugten Vakuums angesaugt und kann die flüssige Phase mitgeführt werden, so daß beide Phasen zusammen zur Oberfläche transportiert werden können. Wie beschrieben, werden an der Oberfläche die beiden Phasen voneinander getrennt und unterschiedlich behandelt.
Alternativ (nicht dargestellt) kann der Extraktionsbrunnen 28 so aufgebaut sein, daß die Siebbereiche des unteren Abschnitts 48 vollständig eingetaucht sind, d. h. sie sich sogar nach der Wasserentnahme unter Einfluß des Vakuumextraktionssystems 32 unter dem natürlichen bzw. tatsächlichen Grundwasserspiegel befinden. Im letzteren Fall liegt das an die Oberfläche transportierte Fluid vorrangig in der flüssigen Phase vor, wenngleich der Einfluß des Vakuums allgemein dazu führt, das eine Gasphase mit verflüchtigten Flüssigkeiten vorhanden ist.
In Fig. 3 sind schematisch das Vakuumextraktionssystem 32 sowie die Schritte und die Vorrichtung zum Behandeln der abgesaugten Materialien genauer dargestellt. Eine vom Elektromotor 80 angetriebene Vakuumpumpe 78 steht über ein Rohr 82, einen Auswerfertopf 84 und ein Rohr 86 mit dem Rohrformstück 52 des Extraktionsbrunnens 28 in Fluidverbindung. Bei dem Auswerfertopf 84 handelt es sich um eine konventionelle Ausführung, die Fachleuten auf dem Gebiet hinlänglich bekannt ist. Der Auswerfertopf 84 dient der Trennung der aus dem Bohrloch 28 stammenden zwei Phasen, so daß sie anschließend in der angemessenen Art und Weise weiterverarbeitet werden können. Dazu ist ein Rohr 88 an dem Auswerfertopf 84 vorgesehen, mit dem die Ausströmungen in der flüssigen Phase durch Filtrations- und Trennschritte geleitet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Filtration durch parallele Filter 90 und 92, die abwechselnd oder gleichzeitig in konventioneller Art und Weise verwendet werden können. Mittels der Sperrventile, die in den Zeichnungen wegen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden, können beide Filter 90 oder 92 voneinander isoliert werden, woraufhin jedes Filter einzeln entnommen, gereinigt oder ausgetauscht werden kann. An der Ansaug- und Abgabeseite der Filter 90 und 92 können geeignete Druckmesser (nicht abgebildet) angebracht werden, die die Filterbelastung anzeigen. Zu geeigneten Filtern 90 und 92 gehören die Schlauchfilter der Serie 500 (523, 525, 527, 529), 3M-Filtererzeugnisse von Aftek, Inc. Darüber hinaus können auch andere Trennverfahren und -vorrichtungen verwendet werden.
Mit einer Pumpe 94, wegen der Erosionsbeständigkeit am besten eine Einstufen- (Schraubenspindel)-Pumpe mit größer werdender Kammer, wird die aus dem Auswerfertopf 84 ausströmende flüssige Phase abgesaugt. Ein Beispiel für eine geeignete Pumpe mit größer werdender Kammer stammt von Bornemann Pumps, Inc., Modell E4H-1024-P1. Als Beispiel für eine geeignete Kreiselpumpe sei jene von Siewert Equipment, Inc., Modell AC100A1, erwähnt. Auch hier lassen sich wiederum andere geeignete Vorrichtungen verwenden.
Von der Pumpe 94 wird die flüssige Phase durch ein Rohr 96 zu einer wahlweise vorgesehenen Lufttrenneinrichtung 98 geleitet, deren Funktion darin besteht, die ausströmenden flüchtigen organischen Verbindungen zu entfernen. Ein zu der Lufttrenneinrichtung 98 gehörendes Gebläse 100 leitet einen Strom warmer Luft durch das Gehäuse der Lufttrenneinrichtung 98, welche die flüchtigen organischen Verbindungen durch die Entlüftungsöffnung 102 an die Atmosphäre abgibt oder einer weiteren Bearbeitung (nicht abgebildet) zuführt. Mit einer Transportpumpe 104, die in ein Rohr 106 mündet, wird Flüssigkeit von dem Auffangbecken der Lufttrenneinrichtung 98 zur Weiterbearbeitung befördert. Die Transportpumpe 104 kann als Reaktion auf einen Niederpegelschatter 108 an der Lufttrenneinrichtung 98 abgeschaltet werden. Ein Hochpegelschalter 110 an der Lufttrenneinrichtung 98 steuert die Pumpe 94 als Reaktion auf einen hohen Wasserpegel in der Lufttrenneinrichtung 98. Bei der Lufttrenneinrichtung 98 kann es sich um eine herkömmliche, sofort lieferbare Anlage handeln, die Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt ist. Falls gewünscht, kann die wahlweise vorgesehene Lufttrenneinrichtung 98 auch weggelassen werden, und das ausfließende Medium aus dem Rohr 96 vereinigt sich mit dem ausströmenden Medium aus dem Rohr 120. Man geht davon aus, daß sich die flüchtigen Verbindungen durch das starke Vermischen von Luft und Wasser bei der Extraktion (wenn das Grundwasser unter Einwirkung des Vakuums in einer Luftströmung abgesaugt wird) von der Lösung trennen, wodurch eine spätere Lufttrennung unnötig wird.
Weil nunmehr keine Lufttrenneinrichtung 98 mehr nötig ist, verringert sich auch die Gesamtmenge an Luftströmungen, welche flüchtige organische Verbindungen mitführen. In Situationen, in denen Luftemissionen reguliert werden müssen, ist dies ein entscheidender Vorteil. Ein weiterer Vorteil des Zweiphasen-Dampfextraktionsprozesses ohne zusätzliche Lufttrennung liegt darin, daß aufgrund des geringen Druckes, mit dem das Vermischen von Dampf/Flüssigkeit und deren Trennung erfolgen, die Sauerstoffanlagerung des Wassers nicht geringer als bei der konventionellen Lufttrennung ist. Es ist davon auszugehen, daß niedrigere gelöste Sauerstoffpegel zu einer geringeren Korrosion und organischen Oberflächenverschmutzung der nachgelagerten Teile der Vorrichtung führen.
Wie bereits angeführt, werden die unter Einfluß der Vakuumpumpe 78 von dem aus dem Extraktionsbrunnen 28 ausströmenden Zweiphasen-Medium getrennten Dämpfe in die Vakuumpumpe 78 hineingezogen. Bei einer Ausführungsform ist die Pumpe 78 eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit einer Zusatzwasserleitung 112, welche von einer heimischen Versorgungsquelle gespeist wird. Die Zusatzwasserleitung 112 hat ein Solenoid-Ventil 114, das auf den hohen Wasserpegel-Schalter 110 der Lufttrenneinrichtung 98 anspricht.
Die Pumpe 78 pumpt in einen Dampf/Flüssigkeits-Abscheider 116 hinein, wovon der Dampf an die Atmosphäre abgegeben, oder falls angemessen, zur Weiterbearbei tung durch ein Rohr 118 geleitet wird. Der größte Teil der aus dem Dampf/Flüssigkeits-Abscheider 116 ausströmenden Flüssigkeit gelangt durch ein Rohr 120 in ein Auffangbecken 122, wo er mit dem ausströmenden Medium aus dem Rohr 106, der von der Lufttrenneinrichtung 98 abgegebenen Flüssigkeit, zusammenkommt. Ein Teil oder die gesamte ausströmende Flüssigkeit aus dem Dampf/Flüssigkeits-Abscheider 116 kann durch eine Leitung abgesaugt werden und in die Strömung in der Zusatzwasserleitung 112 hineingeleitet werden, welche die Flüssigkeitsringpumpe 78 speist.
Eine mittels Niedrigpegel-Tennschalter 128 geregelte Pumpe 126 saugt Flüssigkeit aus dem Auffangbecken 122 an und befördert sie durch ein Rohr 130 zur Weiterbearbeitung. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Flüssigkeit in zwei Stufen durch Behälter 132 und 134 mit darin befindlichem Aktivkohle-Granulat geleitet. Es können aber auch andere Schritte oder Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen angewandt werden. Das behandelte Wasser gelangt durch ein Rohr 136 nach außen und ist sauber genug, um ohne weitere Behandlung wieder an den Boden oder in die Kanalisation abgegeben werden zu können.
In Fig. 4 ist schematisch ein Beispiel eines Lufteinlaßschachtes 57 abgebildet, der wahlweise geschaffen werden kann. Der Lufteinlaßschacht 57 umfaßt ein Bohrloch 58, das ein Rohr 60 aufnimmt. Das Rohr 60 in einer Betriebsausführungsform umfaßt ein PVC-Rohr mit einem Durchmesser von 10,2 cm (vier Inch), wie abgebildet, ist unten mit einer Kappe verschlossen (obgleich das Rohr unten auch offen sein kann) und siebartig mit 0,25 cm (0,010 Inch) langen Schlitzen versehen. Am oberen Ende ist das Rohr 60 von einer Zementeinfassung 62 umgeben, die sich auf die Bodenoberfläche 64 erstreckt. Zu der Einfassung 62 können geeignete Abdeckungen 68 gehören, die wie gewünscht wahlweise die Einlaßsonde zudecken können. Im allgemeinen ist die Abdeckung 68 luftdurchlässig, zumindest in gewissem Maße. Um einen mittleren Teil 70 des Rohres 60 im Bohrloch 58 herum befindet sich Bentonitschlamm 72, der eine gasdichte Abdichtung zwischen dem Rohr 60 und dem Bohrloch 58 herstellt. Der siebartige untere Abschnitt 74 des Rohres 60 ist von gasdurchlässigem geschüttetem Sand 76 umgeben. Wie nun deutlich wird, erleichtert das Rohr 60 das Einleiten von Luft in die Zone um die Rauchsäule 14 herum (siehe Fig. 1).
Ein Vorteil der oben beschriebenen Vakuumextraktion besteht darin, daß die Grundwassergewinnung gegenüber den Durchflußmengen bei der konventionellen Einphasenströmung beträchtlich gesteigert werden kann. Durch Anlegen des Vakuums an die Oberfläche mit Hilfe des Vakuumextraktionsrohres 30 und des Vakuumextraktionssystems 32 wie oben beschrieben wird Wasser durch dynamische Fluideffekte, denen gemäß Luft und Bodengase über die wasserführende Schicht hinweg zu dem Brunnen transportiert werden, sowie durch die künstliche Schaffung einer niedrigen Druckhöhe des Wassers (Wasserdruck) im Innern der Steigrohre 44 und 53 aus dem Boden angesaugt werden. Durch die niedrige Druckhöhe des Wassers in den Steigrohren 44 und 53 entsteht ein niedriger Punkt im hydraulischen System, zu dem Wasser im umgebenden Boden mühelos hinfließt. Die künstliche Steigerung der Grundwassergewinnung über die Menge hinaus, die mit konventionellen Pumpen erreicht wird, ist besonders nützlich in Formationen unter der Bodenoberfläche, in denen die natürliche Wiederauffüllung gering ist. Neben der Vergrößerung der Grundwassereinzugszone um das Bohrloch 28 herum bewirkt der Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtung 10 eine Senkung des natürlichen Grundwasserspiegels, wodurch sich das Volumen der vadosen Zone vergrößert, die einer Reinigung durch die Dampfextraktionsvorrichtung, die mit Hilfe der Einrichtung 10 entsteht, unterzogen wird. Zum greifbaren Nutzen gehört die Verkürzung der Behandlungszeit und die Kostensenkung bei der Schadstoffbeseitigung insgesamt.
Die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren unter Verwendung der Vakuumextraktionsrohre und der Lufteinlaßvorrichtungen gestatten das Entfernen von flüssigen und/oder gasförmigen Verunreinigungen aus Böden mit unterschiedlicher Luftdurchlässigkeit oder Porosität, weil das Extraktionssystem nicht länger von der Durchlässigkeit oder den Porositätsbedingungen des Bodens abhängt und eine Luft- und Wasserströmung in das Steigrohr hinein schafft, die ausreicht, um den Eigenschaften der Vakuumpumpe zu entsprechen. Der Lufteinlaß, wenn mit Ventil ausgestattet, ermöglicht die Einstellung der eingeleiteten Luftströmung entsprechend den spezifischen Bodenbedingungen vor Ort. Durch den Lufteinlaß und das Ventil steht Luft bereit, mit der Wasser durch das Vakuumextraktionsrohr hindurch aus dem Brunnen verdrängt wird. Zudem entsteht eine größere Flexibilität bei der Anordnung von Extraktionsbrunnen, da die Bodenbedingungen für die Luftströmung nicht ausschlaggebend sind, wodurch der Brunnen in Bereichen mit starker Kontamination vorgesehen werden kann, ohne die ungewöhnlichen oder schwierigen Bodenbedingungen in diesen Bereichen berücksichtigen zu müssen. Zudem ermög lichen das Vakuumextraktionsrohr und die Lufteinlaßvorrichtung die Vakuumextraktion von Schadstoffen durch Brunnen aus Bereichen unterhalb des Grundwasserspiegels selbst dann, wenn der Grundwasserspiegel tiefer als die äquivalente Förderhöhe der an den Brunnen angeschlossenen Vakuumpumpe ist. Wenn der Grundwasserspiegel bei einer Tiefe von mehr als 35 Fuß liegt, kann man zudem davon ausgehen, daß die zum Entfernen von flüssigen Verunreinigungen erforderliche Förderleistung über der einer beliebigen handelsüblichen Vakuumpumpe liegt; wohingegen die oben beschriebene Vorrichtung und das dazugehörige Verfahren die Entfernung von flüssigen und gasförmigen Schadstoffen sogar aus Tiefen von 35 Fuß und mehr ermöglichen. Zur Extraktion kann eine Vakuumpumpe mit nahezu jeder beliebigen Fördermenge verwendet werden, selbst eine mit niedriger Förderleistung ist noch immer in der Lage, Wasser aus einem Grundwasserspiegel mit beträchtlicher Tiefe zu fördern. Darüber hinaus eignen sich die Vorrichtung und das Verfahren, wie oben beschrieben, für die Extraktion von Verunreinigungen mit Hilfe von Systemen, die für die Extraktion aus Tiefen nur unterhalb des Grundwasserspiegel und mit Hilfe von Systemen, die zur Extraktion sowohl aus der vadosen Zone als auch von unterhalb des Grundwasserspiegels ausgelegt sind.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren werden die obigen Vorteile erzielt, während das Verfahren zugleich in sehr tiefen Brunnen ausgeführt werden kann. Die Vorrichtung und das Verfahren eignen sich für die Verwendung in Brunnen mit einer Tiefe von 30,5 m, 61 m (100 Fuß, 200 Fuß) oder mehr. In Brunnen, bei denen der Grundwasserspiegel bei einer Tiefe von mindestens 6,1 m (20 Fuß) liegt, und in Brunnen, bei denen es gewünscht wird, den Grundwasserspiegel auf Tiefen von mindestens 18,3 m (60 Fuß) zu senken, werden allgemein erfindungsgemäße Ausführungsformen mit mehreren Gaseinlässen bevorzugt. Darüber hinaus ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren aus der vorangehenden Beschreibung die obigen Vorteile und zugleich ein schnelles, einfaches und effizientes Ingangsetzen des Pumpprozesses. Wenn sich zum Beispiel ein Brunnen in einem Bereich befindet, in dem der natürliche Grundwasserspiegel bei 3 m (10 Fuß) liegt und während des Vakuumextraktionsprozesses auf 13,7 m (45 Fuß) fällt, dann enthalten die Vakuumextraktionsrohre anfangs, vor dem Beginn des Extraktionsprozesses, Grundwasser in einer Tiefe von etwa 3 m (10 Fuß) unter der Bodenoberfläche. Wenn der Prozeß ausgelöst wird, indem die Vakuumextraktionsrohre auf eine Höhe geringfügig unter dem Grundwasserspiegel bewegt werden, und weiterhin die Höhe der Vakuumextraktionsrohre innerhalb der Steigrohre solange eingestellt wird, bis der Grundwasserspiegel auf 13,7 m (45 Fuß) sinkt, dann werden für den Prozeßbeginn mindestens 45 Minuten lang bis zum Ende des Starts zumindest eine Person, meist sogar mindestens zwei Personen benötigt. Demgegenüber braucht bei der oben beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren die Höhe der Vakuumextraktionsrohre innerhalb der Steigrohre nicht eingestellt zu werden, um die Zweiphasenströmung auszulösen. Im manuellen Betrieb wird für den kompletten Anlaufprozeß an jedem Brunnen etwa 45 Sekunden lang eine Person benötigt, und im Automatikbetrieb sind die Anlaufanforderungen hinsichtlich der Zeit und erforderlichen Personenanzahl noch geringer. Zudem minimieren die oben beschriebene Vorrichtung und das Verfahren die "Ausfallzeit" der Vakuumextraktionsbrunnen. Wenn die Zweiphasenströmung durch die Vakuumextraktionsrohre hindurch angehalten wird, kann der nachfolgende Neustart des Brunnens zeitaufwendig sein, und da zwischen dem Anhalten und dem erneuten Start Grundwasser in den Bereich um den Brunnen fließt, kann es Stunden oder gar Tage dauern, bis der konkrete Brunnen zu seinem vorherigen Effektivitätsniveau im Hinblick auf die Konzentration an pro Minute entfernten Verunreinigungen zurückkehrt. Bei dem oben beschriebenen Prozeß und der dazugehörigen Vorrichtung ist die Wahrscheinlichkeit, daß die Zweiphasenströmung durch die Vakuumextraktionsrohre hindurch unterbrochen wird, geringer, und falls sie unterbrochen wird, so kann die Zweiphasenströmung schnell wiederhergestellt werden, weshalb auch der Brunnen relativ schnell wieder sein früheres Effektivitätsniveau bei der Entfernung von Verunreinigungen erreicht. Die Schadstoffextraktion erfolgt schnell und effizient. Zudem ermöglicht die Bewegbarkeit der Vakuumextraktionsrohre innerhalb der Steigrohre eine Tiefeneinstellung der Vakuumextraktionsrohre im Brunnen, ohne dabei den Extraktionsprozeß anhalten zu müssen; bestehen die Vakuumextraktionsrohre aus einem flexiblen Material, dann kann ihre Tiefe im Schacht auch in tiefen Brunnen eingestellt werden, wenn sich die Oberflächenöffnung des Brunnens unter einem Dach befindet. Darüber hinaus können Verunreinigungen bei geringerer Kontamination des Vakuumextraktionssystems mit Erde und Sand extrahiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem kontaminierten Bereich des Bodens mit einer vadosen Zone (16) und einem Grundwasserspiegel (18), welches die folgenden Schritte umfaßt: Schaffen eines Bohrloches (42) in dem kontaminierten Bereich bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels (18); Einsetzen eines ersten perforierten Steigrohres (53) in das Bohrloch (42) bis zu einer Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels (18); Einsetzen eines zweiten perforierten Steigrohres (44) in das erste perforierte Steigrohr (53); Einsetzen eines ersten Vakuumextraktionsrohres (30), dessen Bodenöffnung sich innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres (44) befindet, in das zweite perforierte Steigrohr (44); Einsetzen eines zweiten Vakuumextraktionsrohres (33) in das erste perforierte Steigrohr (53), jedoch außerhalb des zweiten perforierten Steigrohrs (44); während gleichzeitig ein Gas in das zweite perforierte Steigrohr (44) eingeleitet wird, Anlegen eines Vakuums an das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und Anlegen eines Vakuums an das zweite Vakuumextraktionsrohr (33), damit Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) hineingezogen und sowohl Gase als auch Flüssigkeit als gemeinsame Zweiphasenströme durch das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) hindurch an die Oberfläche befördert werden; Bilden mindestens einer vorwiegend flüssigen Strömung (116) und mindestens einer vorwiegend gasförmigen Strömung (118) aus den gemeinsamen Strömen; und separate voneinander getrennten Behandlung der flüssigen und gasförmigen Strömungen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Vakuumextraktionsrohr (30) Grundwasser enthält bevor ein Vakuum an selbiges angelegt wird das erste Vakuumextraktionsrohr (30) mindestens einen unterhalb des Grundwasserspiegels im ersten Vakuumextraktionsrohr (30) gelegenen Gaseinlaß (41) hat und ein Gas in das erste Vakuumextraktionsrohr (30) auf einem Niveau unterhalb des Grundwasserspiegels im ersten Vakuumextraktionsrohr (30) eingeleitet wird, um eine Zweiphasenströmung innerhalb des ersten Vakuumextraktionsrohres (30) auszulösen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich ein drittes Vakuumextraktionsrohr (35) im zweiten perforierten Steigrohr (44) befindet und das dritte Vakuumextraktionsrohr (35) eine innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres (44) gelegene Bodenöffnung hat, und wobei ein Vakuum an das dritte Vakuumextraktionsrohr (35) angelegt wird, damit Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das dritte Vakuumextraktionsrohr (35) eingesaugt und sowohl die Gase als auch die Flüssigkeit als gemeinsame Zweiphasenströmung an die Oberfläche transportiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Vakuumextraktionsrohr (30) bewegbar innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres (44) angeordnet ist, wodurch die Tiefeneinstellung der Bodenöffnung des ersten Vakuumextraktionsrohres (30) innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres (44) ermöglicht wird.

5. Prozeß nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) Grundwasser enthält bevor ein Vakuum an selbiges angelegt wird, das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) mindestens einen Gaseinlaß (61) aufweist, der sich im zweiten Vakuumextraktionsrohr (33) unterhalb des Grundwasserspiegels befindet, und ein Gas in das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) auf einem Niveau unterhalb des Grundwasserspiegels im zweiten Vakuumextraktionsrohr (33) eingeleitet wird, um eine Zweiphasenströmung innerhalb des zweiten Vakuumextraktionsrohres (33) auszulösen.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Gas in einen Bereich eingeleitet wird, welcher von der Innenseite des ersten perforierten Steigrohres und der Außenseite des zweiten perforierten Steigrohres begrenzt wird, während zugleich ein Vakuum an das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) angelegt wird.

7. Vorrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem kontaminierten Bereich des Bodens mit einem Grundwasserspiegel (18) und einer vadosen Zone (16) über dem Grundwasserspiegel, welche umfaßt: ein erstes perforiertes Steigrohr (53), welches sich von der Bodenoberfläche nach unten bis auf eine Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels (18) erstreckt, ein zweites perforiertes Steigrohr (44) im Inneren des ersten perforierten Steigrohres (53), welches sich von der Bodenoberfläche bis auf eine Tiefe unterhalb des Grundwasserspiegels (18) erstreckt, ein erstes im Innern des zweiten perforierten Steigrohres (44) gelegenes Vakuumextraktionsrohr (30), dessen Bodenöffnung sich innerhalb des zweiten perforierten Steigrohres (44) befindet, ein zweites Vakuumextraktionsrohr (33), das im Innern des ersten perforierten Steigrohres (53) aber außerhalb des zweiten perforierten Steigrohrs (44) gelegen ist, einen Gaseinlaß (41) zum Einleiten eines Gases in das zweite perforierte Steigrohr (44), mindestens eine Vakuumerzeugungseinrichtung (78), die mit dem ersten Vakuumextraktionsrohr (30) und dem zweiten Vakuumextraktionsrohr (33) in Fluidverbindung steht und dazu ausgelegt ist, eine Zone mit vermindertem Druck im Boden um das erste perforierte Steigrohr (53) herum zu bilden, wodurch Gase und Flüssigkeit aus dem Boden in das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) hineingezogen und als gemeinsamen Zweiphasenströme an die Oberfläche transportiert werden, und eine Einrichtung (84) zum Aufnehmen der gemeinsamen Zweiphasenströme und zum Trennen der gemeinsamen Zweiphasenströme in eine Gasströmung (118) und eine Flüssigkeitsströmung (116), die voneinander getrennt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Vakuumextraktionsrohr (30) Grundwasser enthält, bevor ein Vakuum an selbiges angelegt wird und das erste Vakuumextraktionsrohr (30) mindestens einen Gaseinlaß (41) aufweist, der sich im ersten Vakuumextraktionsrohr (30) unterhalb des Grundwasserspiegels befindet, um ein Gas in das erste Vakuumextraktionsrohr (30) einzuleiten und dadurch eine Zweiphasenströmung innerhalb des ersten Vakuumextraktionsrohres (30) auszulösen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei sich ein drittes Vakuumextraktionsrohr (35) im zweiten perforierten Steigrohr (44) befindet und das dritte Vakuumextraktionsrohr (35) eine Bodenöffnung im zweiten perforierten Steigrohr (44) aufweist, und wobei mindestens eine Vakuumerzeugungseinrichtung (78) mit dem dritten Vakuumextraktionsrohr (35) in Fluidverbindung steht,

wobei das erste Vakuumextraktionsrohr (30) bewegbar im zweiten perforierten Steigrohr (44) angeordnet ist, wodurch die Tiefeneinstellung der Bodenöffnung des ersten Vakuumextraktionsrohres (30) im zweiten perforierten Steigrohr (44) ermöglicht wird, und

wobei das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) Grundwasser enthält, bevor ein Vakuum an selbiges angelegt wird und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) mindestens einen unterhalb des Grundwasserspiegels im zweiten Vakuumextraktionsrohr (33) gelegenen Gaseinlaß aufweist, um ein Gas in das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) einzuleiten und dadurch eine Zweiphasenströmung innerhalb des zweiten Vakuumextraktionsrohres (33) auszulösen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei ein zweiter Gaseinlaß (61) im Innern des ersten perforierten Steigrohres (53) aber außerhalb des zweiten perforierten Steigrohrs (44) angeordnet ist, wobei durch den zweiten Gaseinlaß (61) ein Gas in einen Bereich eingeleitet werden kann, der durch die Innenseite des ersten perforierten Steigrohres und die Außenseite des zweiten perforierten Steigrohres begrenzt ist, während zugleich ein Vakuum an das erste Vakuumextraktionsrohr (30) und das zweite Vakuumextraktionsrohr (33) angelegt wird.