Projekt 19235/01

High-Tech Methoden zur Untergrundsondierung: Sondierelektronik mit Datenverarbeitung und Schnell-GC

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg (TUHH) Institut für Messtechnik
Harburger Schloßstr. 20
21079 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

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 Unter-grundsondierung 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: AZ 19219, 19220, 19221, 19225, 19229, 19230, 19232, 19233, 19234, 19235, 19281, 21918.
Im Einzelvorhaben Sondierelektronik mit Datenverarbeitung und Schnell-GC wird zur Untersuchung von Bodenkontaminationen mit gasförmigen und leichtflüchtigen organischen Komponenten ein schnelles Rammsondensystem entwickelt, welches in-situ die Konzentrationen und Umfang der kontaminierenden Komponenten bestimmen kann.
Zur Durchführung werden in diesem Teilprojekt ein akkubetriebener, schneller Gaschromatograph und eine drahtlose Datenübertragung entwickelt. Die Datenübertragungsstrecken werden auch von den Pro-jektpartnern verwendet. Weiterhin wird von der TUHH zusammen mit Neumann Baugrund ein allgemein einsetzbarer Gaseinlass konzipiert, welcher den entsprechenden Projektpartnern zur Verfügung gestellt wird.
Innerhalb des Rammgestänges findet eine Infrarot-Datenübertragung Verwendung, auf der Oberfläche eine Funkdatenübertragung. Weiterhin wird in das Datenübertragungssystem die Erfassung der Sondierungstiefe und die Bestimmung der Raumkoordinaten sowie der Uhrzeit integriert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer schnelle Rammsondier-Gaschromatograph wurde zusammen mit dem Energieversorgungsmodul inklusive der Infrarotdatenübertragung und dem Einlasssystem in dem Sondengestänge eingebaut. Weiterhin wurde das Datenübertragungsmodul im Rammkopfadapter von Infrarotlicht auf Funk integriert und die Software zur Steuerung des Gaschromatographen und Auswertung der Chromatogramme programmiert.
Das System wurde im Labor kalibriert und unter Realbedingungen im Versuchscontainer des VEGAS-Instituts, Stuttgart, und in drei Feldtests erprobt.
Parallel zu den Erprobungen wurde das Messsystem optimiert und aufgetretene Schwachstellen behoben und die Steuer- und Auswertungssoftware des Messsystems als eine eigenständige Anwendung reali-siert.


Ergebnisse und Diskussion

Die Erprobung des Messsystems in dem Referenzcontainer des am Projekt teilnehmenden VEGAS Instituts in Stuttgart sowie die Feldtests stellten sehr hohe Anforderungen an die einzelnen Komponenten aufgrund des Sondiervorganges. Hierdurch wurden wiederholt verschiedene Teilkomponenten beschädigt und Nachbesserungen bzw. Überarbeitungen des Systems erforderlich. Hiervon war vor allem das Einlasssystem betroffen.
Die Datenübertragungsstrecken bewiesen sich während der Feldtests und im Laboreinsatz. Es sind jedoch noch geringfügige Optimierungen an dem Gestängesystem nötig, da Staubpartikel die Fenster der Infrarotstrecke verschmutzten und die Übertragung störte. Die Funkstrecke nach dem Bluetooth-Standard erreichte im Feldtest Reichweiten von ca. 80-100 m und ist somit hinreichend für diesen Einsatzzweck.
Die Entwicklung und Optimierung des Gaschromatographen beinhaltete die Eigenentwicklung eines Photoionisationsdetektors (PID), welcher in weiteren Systemen zur Schadstoffdetektion und Umweltüberwachung eingesetzt werden kann.
Die endgültige Realisierung des Messsystems mit dem mehrfach überarbeiteten Einlasssystem sowie dem optimierten Gaschromatographen konnte sich letztendlich im Feld beweisen. Es ermöglicht einen kontinuierlichen Sondiervorgang und die Detektion von leichflüchtigen aromatischen Verbindungen (BTEX) sowie leichtflüchtiger halogenierter Kohlenwasserstoffe (LHKW) im Boden.
Das Messsystem besitzt eine Nachweisgrenze von etwa 25 mg/m³ Substanz in Luft, wobei der Dynamikbereich für unterschiedliche Substanzen von etwa 2000 bis 3500 mg/m³ reicht.
Die Phase der kostenneutralen Verlängerung des Projekts wird für abschließenden leistungssteigernden Arbeiten am Einlasssystem und dem Gaschromatographen inklusive der In-House-Validierung genutzt, sowie ein weiterer Feldtest durchgeführt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

VEGAS-Meeting, März 2002
Projektsitzung an der TUHH, April 2002
Wireless Operating Cone Penetrometer with a Fast GC Unit using IR-Light Data Transfer through the Penetrometer Tubing, PITTCON 2003Combination of percussion drilling techniques with in-tip gaschromatograph, CONSOIL 2003
Miniaturisierte Messverfahren zur Untergrundsondierung: Konzept und Sondenaufbau im Rahmen des DBU-Projektverbundprojektes, Symposium Vor-Ort-Analytik, VEGAS, Stuttgart, März 2004
Posterpräsentation, Tagung: Umweltvorsorge, neue Regeln, Prüfwerte und Strategien im Vollzug, DBU, Osnabrück, April 2005
Systemvorstellung und -vorführung, Informationsveranstaltung: Vision Schleswig-Holstein: In der Erde sehen, Eckernförde, Mai 2005


Fazit

Die Zielsetzung dieses Forschungsprojekts wurde weitestgehend erfüllt und es konnte mittels des Prototyps die Anwendbarkeit dieses Verfahrens bestätigt werden.
Es steht somit ein Messsystem zur Verfügung, welches für die schnelle und kostengünstige Untersuchung von Altlastenflächen mittels der Rammsondiertechnik geeignet ist. Die Nachweisstärke und Dynamik des Systems ermöglichen ebenfalls Nachuntersuchungen bereits sanierter Flächen sowie die Detektion von Schadstoffherden nach Transportunfällen.