Projekt 18276/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Brunnen-Regenerierung mittels einer Ultraschall-Einheit

Projektdurchführung

BRM GmbHBrunnensanierung Rhein-Main-Bodensee
Rudolf-Diesel-Str. 5
63599 Biebergemünd

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bohrbrunnen zur Wassergewinnung sind weit verbreitet. Da in vielen Brunnen die Leistung mit fortschreitendem Alter infolge komplexer chemischer und biologischer Vorgänge immer weiter abnimmt, müssen sie in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Hierbei kommen chemische oder mechani-sche Verfahren zum Einsatz. Eines der letzteren ist die Brunnenregenerierung mit Ultraschall. Das vergleichsweise neue und umweltfreundliche Verfahren weist neben dem völligen Verzicht auf den Einsatz chemischer Stoffe kürzere Ausfallzeiten und eine das Brunnenbauwerk schonende Bearbeitung auf. Durch die Untersuchung möglicher Einflussfaktoren auf die Wirkungsweise des Ultraschalls bei der Reinigung von Brunnen sollen Kriterien für erfolgreiche Einsatzmöglichkeiten dieser Methode festgelegt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt gliederte sich in zwei Hauptphasen. Ein wesentlicher Bestandteil der ersten Phase waren Laborversuche im halbtechnischen Maßstab an einer eigens für die Versuche konzipierten Versuchsan-lage. Mit der Konstruktion und Inbetriebnahme des Modellbrunnens steht nun ein weltweit einzigartiger Versuchsstand zur Simulation der Bedingungen in echten Vertikalfilterbrunnen zur Verfügung. Im Modell wurden Brunnen- und Systemparameter, die die Regenerierung beeinflussen, nachgebildet und unter Laborbedingungen umfassend untersucht. Dazu wurden Schallfeld-, Trübe- und Partikelmessungen bei verschiedenen Brunnenausbauten, Belagsmaterialien und Brunnentiefen, simuliert durch Überdruck, durchgeführt. In der zweiten Phase wurden die Erkenntnisse auf die Anwendung in der Praxis übertragen, indem drei reale Brunnen wissenschaftlich begleitet regeneriert wurden. Dazu wurde, neben den eigentlichen Regenerierschritten, ein umfangreiches Untersuchungsprogramm eingesetzt. Neben Kamerabefahrungen der Brunnen und der Durchführung von Pumpversuchen zur Ermittlung der Brunnenleistung vor und nach der Regenerierung fanden ausführliche geophysikalische Bohrlochuntersuchungen Anwendung. Damit war es möglich, die Wirkung des Ultraschalls bis in den Ringraum des Brunnens zu bewerten. Parallel wurden Daten bereits abgeschlossener Ultraschallregenerierungen der letzten Jahre gesammelt und ausgewertet, um daraus weitere Hinweise auf die optimalen Bedingungen sowie die Nachhaltigkeit der Methode abzuleiten und ein Mindestmaß an erforderlichen Brunnendaten festzulegen.


Ergebnisse und Diskussion

Insgesamt konnte das Projekt erfolgreich abgeschlossen werden. Abweichungen vom Zeitplan ergaben sich lediglich beim Übergang von den Labor- zu den Praxisversuchen, welcher erst nach einer Gutachter-Runde vollzogen wurde und bei der Auswahl der Brunnen für die Praxisversuche. Das Gesamtbud-get konnte dennoch eingehalten werden. In allen durchgeführten Versuchen im Labor konnte der Ultraschall bzw. das Schallfeld bis mindestens 35 cm Abstand zum Schallgeber, d. h. bis zur Wandung des Modellbrunnens, nachgewiesen werden. Die Schallfeldmessungen im Modellbrunnen wiesen dabei i. d. R. bis zur maximalen Entfernung zum Schallgeber noch mehr als 50% der Schallfeldintensität direkt vor dem Schallgeber auf. Die Wirkung im Ringraum eines Brunnens ist damit zweifelsfrei gegeben. Die geophysikalischen Messungen und der Vergleich der Ringraumdichte und der Filterdurchlässigkeit im Brunnen vor und nach der Ultraschallbehandlung zeigten deutlich, dass die Ultraschallbehandlung Materialumlagerungen und das Lösen von Verockerungen bewirken konnte. Die Laborversuche zeigten wei-terhin eine klare Druckabhängigkeit der Ultraschallwirkung. Diese konnte in den Praxisversuchen und der begleitenden Datensammlung nicht bestätigt werden. Vermutlich wirken in flachen Brunnen andere Mechanismen als in tiefen Brunnen. Die verschiedenen Filtermaterialien zeigten hingegen kaum materialabhängige Unterschiede. Lediglich zwischen der Form der Filteröffnungen, d. h. Querschlitzen oder Schlitzbrücken, konnte differenziert werden. Die Auswertung der Laborversuche und der Praxiseinsätze zeigte klar, dass der Erfolg einer Regenerierung nicht von Einzelfaktoren abhängt, sondern vielmehr von einem Zusammenspiel verschiedener Faktoren und Mechanismen. Bezüglich der Nachhaltigkeit unterschied sich das Verfahren nicht wesentlich von anderen Methoden. Positiv fiel auf, dass der Ultraschall keine Oberflächenaufrauung bewirkte, was eine anschließende Wiederverockerung beschleunigen würde. Damit ist das Ultraschallverfahren ein modernes, leistungs- und konkurrenzfähiges Verfahren zur Regenerierung eines gealterten Brunnens. Die Eindringtiefe des Ultraschalls und die Reinigungswirkung konnten sowohl im Labor als auch in den Praxisversuchen gezeigt werden. Hinzu kommen weit über 300 bisher erfolgreiche Regenerierungen seit Beginn der Anwendung im Jahre 1997. Im Vergleich zu anderen mechanischen Verfahren fallen besonders die bauwerkschonende und zügige Arbeitsweise positiv auf. Im Vergleich zu chemischen Verfahren ist es sehr umweltfreundlich, da auf den Einsatz aggressiver Chemikalien völlig verzichtet werden kann. Im Zuge dessen entfällt auch die komplizierte Beantragung wasserrechtlicher Genehmigungen. Trotz des völligen Verzichts auf chemische Stoffe im Grundwasser wird eine hohe Reinigungsleistung erzielt. Durch die kurze Ausfallzeit des Brunnens, das positive Kosten-Leistungs-Verhältnis und die Chemiefreiheit der Methode ist sie insgesamt als ökologisch und öko-nomisch sinnvolles Verfahren einzustufen. Die Ergebnisse wurden in einem Abschlussbericht zusammengefasst und als Sonderdruck des ESWE-Instituts herausgegeben.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt und seine Inhalte wurden während der gesamten Projektlaufzeit und darüber hinaus der Öffentlichkeit und dem Fachpublikum präsentiert. Dazu dienten die Internetseiten der Fa. BRM und des ESWE-Instituts, zwei Fachforen mit Anwendern der Ultraschallmethode bzw. für Brunnenbetreiber, Wasserbehörden und Regenerierfirmen, zwei Publikationen in der bbr, Fachmagazin für Brunnen- und Leitungsbau sowie Artikel in Regionalzeitungen aus dem Umfeld der Brunnenbetreiber, bei denen Feldver-suche durchgeführt wurden. Darüber hinaus wurde das Verfahren auf insgesamt acht nationalen und internationalen Fachtagungen präsentiert und ist als Kurzfassung im jeweiligen Tagungsband enthalten. Das Projekt war weiterhin Grundlage für drei Diplomarbeiten und eine Dissertationsschrift.


Fazit

Alle durchgeführten Versuche bestätigten die Wirksamkeit von Ultraschall zur Brunnenregenerierung. Nachgewiesen wurden in Labor- und Praxisversuchen die Schallausbreitung und die Reinigungswirkung des Ultraschalls bis tief in den Ringraum des Brunnens. Die durchgeführten Versuche ergaben umfassende Erkenntnisse über die Vorgänge im Brunnen, die Wirkmechanismen der Regeneriermethode und die Abhängigkeit des Regeneriererfolges von den Eigenschaften des Brunnens. Das Ultraschallverfahren zur Brunnenregenerierung ist damit eines der wenigen mechanischen Verfahren, das umfangreich wissenschaftlich untersucht wurde und dessen Wirksamkeit mit eindeutigen Messungen zweifelsfrei belegt werden konnte. Nicht zuletzt ist das Verfahren dank der Arbeit in diesem Projekt heute eine fachlich anerkannte Methode zur mechanischen, und damit chemikalienfreien und umweltfreundlichen Brunnenregenerierung und hat Eingang sowohl in die Arbeitsblätter des DVGW als auch in Fachbücher gefun-den.