Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen.

STAND DER TECHNIK UND ALLGEMEINER HINTERGRUND

Bei vielen Tätigkeiten des Menschen in und mit der Umwelt benötigt er ein funktionstüchtiges Entwässerungssystem (EWS). Ob beim traditionellen Anlagenbau, wie beispielsweise der Rohstoffgewinnung in Minen und Bergwerken, oder als Bauer auf nassem Gelände, überall sind funktionstüchtige Entwässerungssysteme die Voraussetzung für einen dauerhaften, reibungslosen und gewinnbringenden Betrieb der Anlagen.

Noch wichtiger sind funktionstüchtige Entwässerungssysteme bei den Gebäuden des Hoch- und Tiefbaus. Bei den Hochbauten verfügen vor allem die grossen Bauten wie Hochhäuser, Hotelanlagen, Einkaufszentren, Fussballplätze oder Wohnüberbauungen über nennenswerte Entwässerungssysteme. Bei Tiefbauten, wie z.B. Flugplätzen, Staumauern, Strassen, Bahnanlagen, und Tunnelbauwerken, gehören Entwässerungssysteme zur Standardausrüstung und sind überall auf der Welt anzutreffen. Insbesondere bei unterirdischen Tiefbauwerken mit hoher Überdeckung wie z.B. U-Bahnhöfen, Wasserkraftzentralen, oder Tunnelbauten wird viel Geld in den Bau langfristig funktionstüchtiger Entwässerungssysteme investiert.

Für die vorliegende Erfindung wollen wir alle Entwässerungssysteme, unabhängig ob sie zu einer Anlage, oder einem Gebäude des Hoch - oder Tiefbaus gehören, als Bauwerksentwässerungssysteme bezeichnen.

Beim Betrieb all dieser Entwässerungssysteme fallen Wässer an, die gelöste Wasserinhaltsstoffe mitfuhren, die im EWS selbst ausfallen und zu weichen, schlammartigen bis harten Ablagerangen führen können. Auf der Erdoberfläche wie beispielsweise im Hochbau spricht man dabei von Sicker- oder Grundwässern, während dem im Untergrund, wie beispielsweise im Tiefbau, fast ausschliesslich von Bergwässern die Rede ist.

Unter Wässer, die in Entwässerungssystemen anfallen, soll, für die vorliegende Erfindung, die Summe aller möglichen Wasserzuflüsse, verstanden werden. Diese Zuflüsse können verschiedener Herkunft sein, wie beispielsweise Grund-, Sicker-, Karst- oder normale Bergwässer einzeln oder in Mischungen. Eine klare Abgrenzung zwischen Grund-, Sicker-, Karst- und Bergwasser zu definieren ist fast unmöglich, denn gerade im Übergangsbereich von Hoch- und Tiefbau treffen wir auf eine Vielzahl von Mischformen. Zudem können auch oberflächennahe Sickerwässer sehr viele Mineralstoffe aufweisen und stärkere Ablagerungen verursachen als sehr tief gelegene EWS von grossen Tunnelbauwerken. Der grösste Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung sind die EWS des Tiefbaus weshalb wir alle anfallenden Wässer in Entwässerungssystemen, unabhängig von ihrer Herkunft, nur kurz als Bergwässer bezeichnen wollen.

Ob das anfallende Bergwasser in einem EWS Ablagerungen verursacht und wenn ja, ob diese hart sind oder nicht, hängt von der Mineralisation des ursprünglichen Bergwassers ab und von dessen Veränderungen beim Eintritt in das EWS, bis zu dessen Übergabe an den Vorfluter.

Beim Eintritt des Bergwassers in das Entwässerungssystem verändern sich die physikalischen Bedingungen derart, dass die ursprünglich gelösten Wasserinhaltsstoffe harte, fest haftende Verkrustungen bilden, welche in amorpher oder kristalliner Form vorliegen können. Oft sind diese Ablagerungen zu Beginn weich, können sich aber im Laufe der Zeit ebenfalls verhärten. Nur wenige bleiben dauerhaft weich.

Hauptverursacher dieser Ablagerungen ist die Kalklöslichkeit des Bergwassers. Da beim Zuströmen des Bergwassers zum EWS des Bauwerks ein Druckabfall entsteht, kommt es zur Ausgasung des gelösten C0 ₂ . Als Gegenreaktion wird Kalk aus dem Bergwasser ausgeschieden. Zudem erhöhen basische Baustoffe, allen voran die Zemente, den pH- Wert dieser Wässer, was die Bildung der Verkrustungen ebenfalls stark begünstigt.

Gerade im Tiefbau bestehen die Ablagerangen zum weitaus grössten Teil aus Kalk (meist > 95%), der aus dem Bergwasser ausgeschieden wird, in Kombination mit unbedeutenden Mengen anderer Ionen wie Silicium, Magnesium, Barium, Eisen und dergleichen. In seltenen Fällen kann es zur Ansammlung von Eisenocker kommen, dessen Konsistenz gelartig ist und ebenfalls zu Verstopfungen im Entwässerungssystem führen kann. Daneben gibt es noch andere, i.d.R. untergeordnete Parameter, die die Verkrustungsbildung beeinflussen, wie z. B. die Temperatur oder die Mischung verschiedener Wässer.

Diese vorwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffe verursachen im unzugänglichen (primäres EWS) und zugänglichen (sekundäres EWS) Teil des Entwässerungssystems oft harte Verkrustungen. Das unzugängliche Entwässerungssystem umfasst die Elemente des Entwässerungssystems, die nach Fertigstellung der Anlage - und/oder des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. bei einem Gebäude der umgebende Baugrund, aussen liegende Noppenbahnen bzw. -streifen, Drainagematten, Vliese, Drainagebohrungen, Sickerpackungen um die Drainagerohre herum, Sickerschichten, Öffnungen der Drainagerohre (aussen) und dgl. Dieser Teil des EWS kann während des Betriebs der Anlage- und/oder Bauwerks nicht mehr unterhalten werden.

Das zugängliche Entwässerungssystem einer Anlage- und/oder Bauwerks beinhaltet die nach der Fertigstellung des Gebäudes frei zugänglichen Elemente des EWS wie z.B. die Drainagerohre (innen), Schächte, Schlammsammler, Wasserableitungen, Hauptentwässerungsleitungen und dgl. Dieser Teil des EWS kann während des Betriebs der Anlage- und/oder Bauwerks unterhalten werden

Primäre und sekundäre Entwässerungssysteme treffen wir vor allem bei Gebäuden des Hoch- und Tiefbaus an, während bei Anlagen wie beispielsweise in Erzbergwerken die Entwässerungssysteme offen ausgebildet werden, damit sie besser unterhalten werden können. Im Anlagenbau treffen wir also vorwiegend auf sekundäre EWS.

Die Verkrustungen verkleinern den Abflussquerschnitt der Entwässerungssysteme, so dass die Wassermengen nicht mehr frei abfliessen können und dadurch ein Rückstau gebildet wird, der zu grossen Schäden führen kann. Die zurzeit üblichen Verfahren zum Entfernen dieser Verkrustungen aus dem EWS sind die elektromechanische Reinigung sowie die Hochdruckspülung oder das Hochdruckfräsen mit Wasser. Diese Verfahren sind aufwändig, teuer und führen zu Betriebsunterbrüchen.

Nur der regelmässige Unterhalt am Entwässerungssystem garantiert die dauerhafte Funktionstüchtigkeit des Tiefbauwerks. Der wichtigste Teil der Unterhaltsarbeiten besteht aus der regelmässigen Reinigung des EWS. Normalerweise werden dazu die Drainage- und Entwässerungsrohre innwendig gespült. Dennoch entstehen durch die anfallenden Bergwässer sehr oft harte bis sehr harte Verkrustungen, die fast immer aus Kalk bestehen. Das Entfernen dieser Kalkschichten ist zeitintensiv, aufwändig, und kostet sehr viel Geld. Oft lassen sich diese Verkrustungen mit konventionellen Hochdruckspülungen nicht mehr entfernen und es müssen andere Reinigungsverfahren eingesetzt werden. Zu diesen zählen Fräsen und oder Kettenschleudern. Diese Verfahren fuhren aber zu einem grossen Verschleiss des EWS und man sollte wenn immer möglich darauf verzichten.

Der Verlust oder das Fehlen eines funktionstüchtigen Entwässerungssystems kann je nach Gebäude katastrophale Folgen für den Betrieb sowie für die Dauerhaftigkeit der Anlage nach sich ziehen. Ohne EWS oder bei defektem EWS staut sich das anfallende Wasser auf und es entsteht ein Wasserdruck, der zu grossen Schäden führen kann. So kann der Wasserdruck die Belastbarkeit der Tragstruktur übersteigen und zudem die Korrosion der verwendeten Baumaterialien potenziell beschleunigen. Funktionsuntüchtige EWS können dazu führen, dass Wasser in das Gebäude eindringt. Je nach Gebäude kommt es dadurch zur Eisbildung auf Fahrbahnen oder die Luftfeuchtigkeit wird so stark erhöht, dass die elektronischen Systeme ausfallen. Beim Bau des Gotthard Basistunnels wurde diesem Aspekt, der Gefahr einer zu hohen Luftfeuchte, eine ausserordentlich wichtige Bedeutung beigemessen.

Bei der Unterhaltung von Entwässerungssystemen fallen also hohe Kosten an. Der Unterhalt des Entwässerungssystems kann so teuer werden, dass sich einzelne Bauherren dazu entschliessen, ohne Entwässerungssystem zu bauen d.h. auf ein Entwässerungssystem zu verzichten und stattdessen das Gebäude so stark auszubilden, dass der entstehende Wasserdruck aufgenommen werden kann, ohne Schäden in Kauf zu nehmen. Dies ist zwar deutlich teurer, scheint sich aber dennoch für gewisse Gebäude zu lohnen.

Aus diesem Grund wurden in den vergangenen rund 20 Jahren verschiedene Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in Bauwerksentwässerungs-systemen entwickelt und verfeinert.

Bei all diesen Verfahren, wird über ein Verteilsystem, mit und ohne Dosieranlagen, an einer oder mehreren Stellen, des unzugänglichen oder zugänglichen Entwässerungssystems, ein Wirkstoff, der so genannte Härtestabilisator, punktuell oder flächendeckend in wässriger und/oder fester Form zugegeben. Dieser Härtestabilisator vermischt sich auf dem nachfolgenden Fliessweg mit den Wässern im Entwässerungssystem und schützt dieses damit vor der Bildung von harten Verkrustungen. Erst beim Verlassen des Bauwerks, unmittelbar vor der Einleitung in den Vorfluter, soll die Konzentration des Härtestabilisators im Bergwasser, den wirksamen Gehalt unterschreiten. Dadurch ist das EWS auf seiner ganzen Länge geschützt.

Diese Art der Wasserbehandlung ist im Tiefbau nun fast seit 20 Jahren bekannt und wurde u.a. in den folgenden Patentschriften ausführlich dargestellt. All diese Verfahren sind im Tiefbau unter dem Begriff„Verfahren zur Härtestabilisation von Bergwässern" bekannt. Im Folgenden soll dieser Begriff übernommen werden.

EP 638 049 Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Bauwerksentwässerungssystem: Hier wird der Einsatz flüssiger Wasserkonditionierungsmittel in Bauwerksentwässerungssystemen beschrieben

CH 689 452 Verfahren zur Verhinderung von zementbedingten Ablagerungen in einem Bauwerksentwässerungssystem. Hier wird der Einsatz von Polyasparaginsäure, als Wirkstoff, in fester und/oder flüssiger Form zur Behandlung von Wässern in Bauwerksentwässerungssystemen beschrieben.

CH 694 022 Kalkschutzsteine und Verfahren zur Minimierung der Bildung von Ablagerungen in Bauwerksentwässerungssystemen. Diese Patentschrift beschreibt die Verwendung von Polysuccinimid, als Wirkstoff, in fester Form zu so genannten Depotsteinen gepresst zur Verhinderung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen

EP 1724240B1 Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in primären Entwässerungssystemen von Tunnelbauwerken. Hier wird das Rückführungssystem zur Verhinderung von Ablagerungen im primären Teil eines EWS beschrieben.

Der Härtestabilisator kann in fester und/oder flüssiger Form in den zugänglichen wie auch in den unzugänglichen Teil eines EWS eingebracht werden. Als flüssige Härtestabilisatoren besonders geeignet sind Fruchtsäuren, Polyasparaginsäure sowie Polycarbonsäuren. In fester Form kommen Polysuccinimid, Polycarbon- sowie Fruchtsäuren, alle in Verbindung mit geeigneten Trägersubstanzen in Frage.

Wegen der Zugabe des Härtestabilisators zum Wasser muss aber fast immer mit der Bildung von Bakterien- und Algenschichten innerhalb des zu behandelnden EWS gerechnet werden. Gerade diese so genannten Biofilme stellen ungeahnte Probleme dar, die eine zuverlässige und wirtschaftliche Vermarktung der Verfahren der Härtestabilisation oft verunmöglichen.

Biofilme bestehen aus einer dünnen Schleimschicht (Film), in der Mikroorganismen (z.B. Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen) eingebettet sind. Biofilme entstehen, wenn Mikroorganismen sich an Grenzflächen ansiedeln. Sie bilden sich überwiegend in wässrigen Systemen, entweder auf der Wasseroberfläche oder auf einer Grenzfläche zu einer festen Phase wie beispielsweise der Rohroberfläche des EWS. Biofilme können in den EWS des Tiefbaus Schichtstärken von mehr als 10cm erreichen und auch bei hohen Fliessgeschwindigkeiten existieren. Oft ist dabei der ganze Querschnitt des EWS von der Biofilmschicht betroffen. In der Nähe der Zugabe der Härtestabilisatoren treffen wir in der Regel die stärksten Biofilme an, mit zunehmender Verdünnung durch die zufliessenden Bergwasser reduziert sich der Biofilm in der Regel. Biofilme können sich problemlos über das ganze EWS ausbreiten.

Der Biofilm enthält außer den Mikroorganismen hauptsächlich Wasser. Oft werden von der Matrix der Biofilme auch anorganische Partikel oder Gasbläschen eingeschlossen. Die Gasphase kann je nach Art der Mikroorganismen mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Methan oder Schwefelwasserstoff angereichert sein.

Gerade auch diese Gasbildung kann im Tiefbau verheerende Folgen haben. So wurden in Österreich zwei Bauarbeiter bewusstlos als sie Reinigungsarbeiten am EWS ausführen wollten und dabei Gase der Biofilme eingeatmet haben. Die im EWS enthaltenen Gase waren so stark, dass sie das Bewusstsein verloren. Daraufhin verbot der Bauherr den weiteren Einsatz der Härtestabilisationsverfahren für das betroffene Bauwerk.

Des Weiteren reduzieren diese Biofilme die Konzentrationen an Härtestabilisator in den Bergwässern des EWS, wodurch die Wirkung der Verfahren der Härtestabilisation reduziert wird.

Je nach der Stärke dieser Bio-Schichten können sie sogar zu einem Verschluss wichtiger Teile des Entwässerungssystems führen oder auch die Anlagen zur Konditionierung der Bergwässer ausser Gefecht setzen. Ein wichtiges Verfahren der Härtestabilisation im Tiefbau wird als so genanntes Rückführungssystem (RFS) bezeichnet. Dabei wird mittels Verteilleitungen bereits vorkonditioniertes Bergwassers in den primären Teil des EWS geführt. Dort vermischt sich das vorkonditionierte Bergwasser mit frischem Bergwasser und schützt dabei den primären Teil des EWS vor der Bildung von Ablagerungen. Ausführlich beschrieben wird dieses Rückführungssystem in der EP 1 724 240. Treffen wir nun auf Biofilmschichten im EWS besteht die Gefahr, dass Teile der Verteilleitungen und deren Öffnungen, durch das bereits vorkonditionierte Bergwasser, bei der Rückführung in den primären Teil des EWS, durch diesen Biofilm, verstopft und wertlos werden.

Ein weiterer Nachteil all dieser Verfahren zur Härtestabilisation von Bergwässern liegt darin, dass durch die Zugabe von Härtestabilisator zum Bergwasser immer eine, wenn auch geringe, zusätzliche Belastung des Vorfluters entsteht.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Das Ziel der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, die Bildung von Ablagerungen in Entwässerungssystemen von Bauwerken zu verhindern oder zumindest deutlich zu reduzieren. Dabei sollen die negativen Eigenschaften der Härtestabilisation wie die Belastung der Vorfluter und/oder die Bildung von Biofilmschichten weitgehend eliminiert werden.

Die Verfahren der Härtestabilisation zielen darauf ab, das Kristallwachstum der sich ablagernden Stoffe zu beeinflussen. Härtestabilisatoren machen sich dabei oftmals den Thresholdeffekt zu Nutze, was zu einem geringen Verbrauch an Härtestabilisator führt. In vielen Fällen werden aber auch Komplexiermittel, wie beispielsweise Fruchtsäuren verwendet, die eine chemische oder Komplex-Bindung mit den sich kristallisierenden Stoffen z. b. Calciumcarbonat eingehen.

Nun wurde aber auf Basis von Untersuchungen eine ganz andere Möglichkeit gefunden, die Bildung der Ablagerungen zu verhindern. Das erfindungsgemässe Verfahren zielt darauf ab, die Löslichkeit der Wasserinhaltsstoffe zu verändern, indem Mineralsalze direkt zum anfallenden Bergwasser zu dosiert werden. Durch die Zugabe von Fremdionen zum Bergwasser verändert sich die Löslichkeit der Wasserinhaltstoffe. Grundsätzlich gilt, dass bei einer gesättigten Lösung die Zugabe eines anderen, leichter löslichen Salzes, ohne gemeinsames Ion mit dem ersten, dessen Löslichkeit erhöht. Als Salze bezeichnet man chemische Verbindungen, die aus positiv geladenen Ionen (Kationen) und negativ geladenen Ionen (Anionen), aufgebaut sind. Zwischen diesen Ionen liegen ionische Bindungen vor. Bei anorganischen Salzen werden die Kationen häufig von Metallen und die Anionen häufig von Nichtmetallen oder deren Oxiden gebildet. Als Feststoff bilden sie gemeinsam ein Ionengitter. Als organische Salze bezeichnet man alle Verbindungen, bei denen mindestens ein Anion oder Kation eine organische Verbindung ist. Eine Liste von möglichen Kationen und Anionen ist unten angegeben.

Kationen Anionen

1 -wertig 2-wertig 3wertig 2-

1 -wertig " . oxidisch metallisch

Kau, _™ K-+ Calcium. Eisend!!). ^a wertig

Kalium, κ Q _g 2+ _e 3+ Fluoride, Oxide, Carbonate,

Chromate. Cr0 ₄ ²

Natrium. Magnesium. Aluminium, F ^" O ^2- C0 ₃ ^2~

Na ⁺ Mg ²⁺ Al ³⁺ Chloride, Sulfide, Sulfate. Permanganate,

Ammonium, Eisen(ll), er S0 ₄ ^2~ Mn0 ₄ ^~

NH Fe ²⁺ Bromide, Phosphate,

komplexe

Br ^~ P0 ₄ ^3"

Nitrate, Hexacyanoferrate(ll), lodide,

O ₃ - [Fe"(CN) ₆ -

Einige Salze eignen sich aber weniger für die hier beschriebenen Zwecke, da sie die Umwelt belasten können wie beispielsweise Ammonium- Aluminium- und Eisenverbindungen oder auch lodide, Sulfide, Nitrate, Chromate, Permanganate oder I lexaey ano ferrate . Andere Salze, wie beispielsweise Bariumsulfat, sind relativ teuer und eignen sich deshalb nur bedingt für die vorgesehene Verwendung.

Betrachten wir beispielsweise das in unserem Fall äusserst wichtige System C0 ₂ -H ₂ 0- CaC0 ₃ , so stellen wir fest, dass es eine ganze Reihe von Möglichkeiten gibt, durch die Zugabe eines anderen, leichter löslichen Salzes die Löslichkeit des Systems CO ₂ -H ₂ O- CaC0 ₃ zu erhöhen. Zur Auswahl stehen, nach der Regel der Fremdionen, beispielsweise die Salze des Natrium, ausgenommen Natriumcarbonat, die Salze des Magnesiums ausgenommen Magnesiumcarbonat, die Salze des Kalium ausgenommen Kaliumcarbonat. Im Vordergrund steht dabei die Verwendung dieser Salze in Form von Chloriden und Sulfaten. Es gibt wenige Ausnahmen von dieser Regel, aber Calciumchlorid erhöht ebenfalls die Löslichkeit des Systems C0 ₂ -H ₂ 0-CaC0 ₃ und eignet sich deshalb ebenfalls als Mineralsalz gegen die Bildung von Kalkablagerungen.

Nach der Regel der Fremdionen verbleiben aber für die Anwendungen, die hier von Interesse sind, die Salze von Natrium, und/oder Kalium und/oder Magnesium mit geeigneten Anionen wie Sulfat und/oder Chlorid oder Hydrate davon. Konkreter also Natriumsulfat und -chlorid, Magnesiumsulfat- und chlorid, sowie Kaliumsulfat - und chlorid, die entsprechenden Hydrate, sowie gegebenenfalls Mischsalze wie Kalziummagnesiumchlorid, Natriummagnesiumchlorid, etc.. Im Folgenden wollen wir sie als Stabilisationssalze bezeichnen wegen ihrer Fähigkeit, den Kalkgehalt des Bergwassers zu stabilisieren und die Ablagerung des Kalks aus Bergwasser zu verhindern. Diese Salze eignen sich besonders gut für das erfindungsgemässe Verfahren weil sie, bei einer Gesamtbeurteilung aller Salze, die u.a. sowohl die Kosten, die Herstellung, die Verfügbarkeit und die Umweltbelastung, die durch diese Salze verursacht werden, berücksichtigt, besonders gut abschneiden. Dies bedeutet nicht, dass die anderen Salze nicht funktionieren würden, gesamthaft betrachtet aber für viele Anwendungen weniger gut.

Die Zugabe der Stabilisationssalze zum Bergwasser kann in fester oder flüssiger Form erfolgen. Die Löslichkeit der Salze ist so hoch, sodass eine gute Vermischung mit dem anfallenden Bergwasser in kurzer Zeit gewährleistet ist. Die notwendigen Dosiermengen richten sich nach dem Grad der Calciumübersättigung des Bergwassers und lassen sich durch den Langelier - Index oder den Stabilitätsindex nach Ryznar berechnen.

Die Anwendung der Stabilisationssalze erfolgt gleich oder analog wie die bisher verwendeten Härtestabilisatoren wie sie in den Patentschriften EP 638 049, CH 689 452 und EP 1 724 240 beschrieben sind. Bevorzugterweise wird das Stabilisationssalz in flüssiger Form, d.h. als wässrige Lösung, mittels einer Dosieranlage zu Beginn des EWS zum anfallenden Bergwasser zudosiert. Auf dem nachfolgenden Fliessweg vermischt sich das gelöste Stabilisationssalz mit dem zufliessenden Bergwasser und schützt es dadurch vor der Bildung von harten Ablagerungen. Der Schutz kommt dadurch zustande, dass durch die Zugabe der Salze die Löslichkeit des Systems CO ₂ -H ₂ 0-CaC0 ₃ erhöht wird. In der Regel wird der Aktivitätskoeffizient des Ca ²⁺ erniedrigt, wodurch mehr Ca ²⁺ in Lösung geht. Die Zugabe der Salze kann aber auch eine Auswirkung auf die HC0 ₃ ^" -Ionen haben, die dadurch nicht mehr für die Kalkbildung zur Verfügung stehen.

Die Vorteile der Zugabe der Stabilitätssalze anstelle der herkömmlichen Zugabe von Härtestabilisatoren liegen auf der Hand. Die Zugabe der vorgeschlagenen Salze ist umweltfreundlich, da von Natur aus in jedem Bergwasser bereits Mineralsalze in weit größeren Mengen vorhanden sind. Diese Mineralsalze sind sogar lebensnotwenig für Mensch, Tier und Pflanzen. Erst in sehr hohen Konzentrationen (über 1-10 g/1) können die Mineralsalze u.U. Probleme bereiten, in den hier bevorzugt vorgeschlagenen Anwendungskonzentrationen (0,0001 - lg/1) für die Behandlung von Bergwasser spielen sie aber keine Rolle. Vorzugsweise bewegen sich die Konzentrationen der vorgeschlagenen Salze zwischen 0,1 und 1000 ppm gemessen am Ende des EWS unmittelbar vor der Einleitung in den Vorfluter, idealerweise aber im Bereich zwischen 1 und 100 ppm. Die Angaben in ppm beziehen sich dabei jeweils auf die Masse des eingesetzten trockenen Salzes und nicht auf die entsprechenden Hydrate, und die Mengen werden theoretisch berechnet aus der Zugabe im Tunnel und dem Bergwasserfluss an den Ausgängen des Tunnels. Es zeigt sich dabei, dass insbesondere z.B. bei Magnesiumchlorid bei stark zu Ablagerungen neigenden Bedingungen 10-50 ppm, vorzugsweise 12-20 ppm gut geeignet sind, bei mittlerer Ablagerungstendenz 5 - 15 ppm, vorzugsweise 7 - 10 ppm und bei eher geringer Ablagerungstendenz 2 - 7, vorzugsweise 3 - 5 ppm.

Die Stabilisationssalze verursachen zudem keine Biofilmschichten im EWS wie die herkömmlichen Härtestabilisatoren. Dadurch verbessert sich die Funktionstüchtigkeit und der Wirkungsgrad des Verfahrens. Die Stabilisationssalze sind günstig im Einkauf und stellen damit diesbezüglich alle anderen bekannten Härtestabilisatoren in den Schatten. Die Verfügbarkeit der Stabilisationssalze ist sehr gut und deren Herstellung bezogen auf die benötigte Menge unproblematisch.

Bei einzelnen Bauwerken kann es angezeigt sein, die Stabilisationssalze in Kombination oder alternierend mit den herkömmlichen Härtestabilisatoren zu verwenden. Gerade dort, wo sehr hohe pH- Werte des Bergwassers auftreten (über 10 - 11) kann beispielsweise der Einsatz von Milchsäure gleichzeitig mit den vorgeschlagenen Stabilisationssalzen, vorzugsweise Magnesiumchlorid, oder alternierend, in Abständen von rund 3 bis 25 Tagen, mit dem Einsatz von den vorgeschlagenen Stabilisationssalzen, vorzugsweise Magnesiumchlorid, gute Resultate liefern. Durch den gleichzeitigen oder alternierenden Einsatz kann die Wirkung des Verfahrens bei hohen pH- Werten und den damit verbundenen hohen OH-Ionenkonzentrationen gewahrt bleiben, gleichzeitig wird der Aufbau einer Biofilmschicht vermindert oder sogar verhindert. Bei sehr hohen pH- Werten besteht die Gefahr, dass sich durch die Zugabe von Magnesiumchlorid Magnesiumcarbonat aus dem Bergwasser bildet.

Zu den bevorzugten Härtestabilisatoren, die in Kombination, gleichzeitig oder alternierend, mit Mineralsalzen verwendet werden können, zählen im vorgeschlagenen Verfahren die Milchsäure, die Polyasparaginsäure, Polysuccinimid sowie Polycarbonsäuren.

Zusammenfassend betrifft damit die vorgeschlagene Erfindung generell ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerangen in Entwässerungssystemen von Bauwerken, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass Mineralsalze zum Bergwasser zugegeben werden. Bei den Mineralsalzen handelt es sich dabei vorzugsweise um Stabilisationssalze.

Bei den Stabilisationssalzen handelt es sich vorzugsweise um wenigstens ein Salz ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Natriumsulfat, Natriumchlorid, Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Kalziummagnesiumchlorid, Natriummagnesiumchlorid, Kaliumsulfat, Kaliumchlorid, Kalziumchlorid oder Hydrate, Mischsalze, respektive Mischungen davon, wobei vorzugsweise die Stabilisationssalze die Bildung von neuen organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, insbesondere in Form von Kalkablagerungen, verhindern und/oder den Abbau von bestehenden organischen und/oder anorganischen Verkrustungen, insbesondere in Form von Kalkablagerangen, induzieren oder fördern.

Die Stabilisationssalze werden vorzugsweise in einer Menge zum zu behandelnden Bergwasser zugegeben, dass am Ende des Entwässerungssystems eine Konzentration in Wasser im Bereich von 0,1-1000 ppm, bevorzugt 1-200 ppm, insbesondere bevorzugt im Bereich von 2 - 50 ppm oder 3 - 20 ppm, wobei die Zugabe vorzugsweise am Anfang des Entwässerungssystems erfolgt sowie gegebenenfalls an einer oder mehreren weiteren Stellen entlang des Flusses des Bergwassers im Bauwerk. Diese Angaben in ppm sind massebezogen und werden in der Regel indirekt bestimmt, indem die zugegebene Menge an trockenem Salz pro betrachtete Zeiteinheit (bei Zugabe der Salze in wässriger Lösung muss mit dem entsprechenden Trocken-Gehalt gerechnet werden) bezogen wird auf den Bergwasserfluss (Masse pro betrachtete Zeiteinheit) ausgangs des Tunnels berechnet wird. Die Mineralsalze können dabei allein oder zeitlich und/oder örtlich alternierend und/oder gleichzeitig aus verschiedenen Behältern und/oder im Gemisch (Kombination) oder auch als Mischsalz mit anderen Härtestabilisatoren wie insbesondere bevorzugt Fruchtsäuren, insbesondere Milchsäure, Polyasparaginsäure oder Polycarbonsäure, dem zu behandelnden Bergwasser zugegeben werden.

Die Mineralsalze können in flüssiger, d.h. in wässriger gelöster Form, z.B. mittels einer Dosieranlage, oder in fester Form als Depotsteine, dem sekundären Teil des Entwässerungssystems zugegeben werden.

Die Mineralsalze können dabei in flüssiger, d.h. gelöster oder in fester Form als Depotsteine, in den primären Teil des Entwässerungssystems eingebracht werden.

Bei der festen Form kann es sich um Depotsteine handeln, die einen wirksamen Gehalt an Mineralsalzen aufweisen.

Die Mineralsalze können mittels Rückführungssystem in das primäre Entwässerungssystem gebracht werden.

Es können zudem Stabilisationssalze verwendet werden, und diese ununterbrochen (kontinuierlich) oder in Intervallen zudosiert werden.

Als anderer Härtestabilisator kann dabei bevorzugt ausschließlich eine im wesentlichen 80- 95%ige wässrige Lösung von Milchsäure, bevorzugt in technischer Qualität, verwendet werden.

Das Entwässerungssystem kann sich in einem Tunnel befinden oder an einem Tunnel angeschlossen sein, und/oder es kann sich bei dem Bauwerk um ein Bahntrasse handeln. Bei dem Mineralsalz kann es sich um Natriumchlorid und/oder Magnesiumchlorid handeln. Es kann sich auch um Magnesiumchlorid handeln, und dieses kann dem Bergwasser als wässrige Lösung mit einem Gehalt von 25-33 Gew.%, vorzugsweise im Bereich von 30-33 Gew.% zugeführt werden.

Oder es kann sich bei Mineralsalz um Natriumchlorid handeln, und dieses dem Bergwasser als wässrige Lösung mit einem Gehalt von 20-35 Gew.%, vorzugsweise im Bereich von 25-33 Gew.%» zugeführt werden.

Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung eines Stabilisationssalzes, vorzugsweise ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Natriumsulfat, Natriumchlorid, Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Kaliumsulfat, Kaliumchlorid, Kalziumchlorid oder Mischungen davon, zur Verhinderung von Ablagerungen in primären und/oder sekundären Entwässerungssystemen von Bauwerken, indem das Stabilisationssalz zum Bergwasser als bevorzugt wässrige Lösung, bevorzugt dem sekundären Entwässerungssystem, und/oder als Feststoff, bevorzugt dem primären und/oder sekundären Entwässerungssystem, zugegeben wird.

Zudem betrifft die Erfindung einen Depotstein oder ein Depotgranulat mit einem wirksamen Gehalt von wenigstens 10 Gew.%, vorzugsweise von wenigstens 25 Gew.% eines derartigen Stabilisationssalzes, vorzugsweise ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Natriumsulfat, Natriumchlorid, Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid, Kaliumsulfat, Kaliumchlorid, Kalziumchlorid Kalziummagnesiumchlorid, Natriummagnesiumchlorid oder Hydrate oder Mischungen davon, insbesondere bevorzugt auf Basis von Carnallit (KMgC13 · 6H20), gegebenenfalls in Kombination mit anderen Stabilisationssystemen wie vorzugsweise Polyasparaginsäure und/oder Polycarbonsäure und/oder Milchsäure, zur Verhinderung von Ablagerungen in primären Entwässerungssystemen von Bauwerken. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dient und nicht einschränkend auszulegen ist. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Tunnel und die Zugabe der

Stabilisationssalze zum Bergwasser; dargestellt sind die Ströme im sekundären Entwässerungssystem.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Um die Wirksamkeit der Stabilisationssalze zu überprüfen wurde eine Versuchsreihe in einem Tunnel der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) gestartet. Der Tunnel gilt als schwieriger„Kandidat", weil die Ablagerungen in der Rigole des Tunnels stark sind. Hier müssen deshalb die Dosierkonzentrationen vergleichsweise hoch angesetzt werden. Dort wurde zuvor mit einer konventionellen Härtestabilisationsanlage Milchsäure in konstanten Mengen von rund 800kg/Jahr in die Rigole des Entwässerungssystems nahe dem Südportal zudosiert. Die alleinige Zugabe der Milchsäure hatte zur Folge, dass sich ein dezimeterdicker Biofilm in der Rigole ansiedelte, der von der Dosierstelle aus das ganze Entwässerungssystem eroberte. Der Aufbau des Biofilms benötigte rund 6 Monate. Durch Spülungen und Reinigungen des Entwässerungssystems lässt sich der Biofilm entfernen, er kehrt dann aber bereits nach 3 Monaten wieder voll zurück.

Zudem entstanden immer noch 50% der Kalkablagerungen (vgl. mit der Situation ohne Behandlung) wobei die Ablagerungen weich waren und sich deshalb gut entfernen Hessen. Die Versinterungen, die entstehen, wenn die Milchsäurebehandlung ersatzlos ausgesetzt wird, sind gewaltig. Innert eines Jahres bauen sich stellenweise 10cm neuer Kalk in der Rigole auf. Der sich neu bildende Kalk kann bereits nach 1 - 2 Wochen beobachtet werden. Der Kalk wird durch die Verwendung von zementhaltigen Baustoffen im Portalbereich des Tunnels (Jetting) sowie durch die Verfüllung des Werkleitungskanals (Stabilisierung mit Zement) hervorgerufen. Entsprechend hoch ist der pH- Wert des anfallenden Bergwassers (er liegt bei rund 9 bis 10)

Nun wurde mit der Dosierung der gelösten Mineralsalze begonnen. Dazu wurden 200kg Natriumchlorid mit 200 Liter Wasser vermischt. Danach wurde täglich eine konstante Menge von lOLiter dieser Mischung in die Rigole zudosiert. Nach rund einem Monat war die Biofilmschicht verschwunden. Zudem konnten sich keine neuen Ablagerungen bilden und die alten bestehenden Ablagerungen wurden teilweise aufgelöst. Der Jahresverbrauch an Natriumchlorid liegt im Bereich von rund 2000kg. Die anfallende Bergwassermenge liegt am Ende des EWS bei rund 3 - 5 1/s. Jeden Monat wurde dieser Vorgang wiederholt. Bereits nach 3 Wochen war der übliche Biofilm (üblich bei der Anwendung von Milchsäure) verschwunden. Es konnten sich, auf der ganzen behandelten Strecke, gar keine neuen Ablagerungen mehr bilden. Die Produktkonzentrationen im Bergwasser beim Verlassen des Tunnels (am Nordportal) betrugen rund 12ppm.

In einem weiteren Tunnelbauwerk der SBB wurde ein zweiter Versuch durchgeführt. Auch hier wurde bis anhin Milchsäure in konstanten Mengen zu den beiden Drainageleitungen zudosiert. Wiederum hat sich nach einiger Zeit ein erheblicher Biofilm aufgebaut. Die Verbrauchsmenge an Milchsäure betrug bis anhin 2000 kg/Jahr, um die Bildung von neuen Kalkablagerungen vollständig unterbinden zu können. Die anfallende Bergwassermenge liegt am Ende des EWS bei rund 20 1/s.

Hier wurde nun anstelle von Milchsäure ununterbrochen Magnesiumchlorid in konstanten Mengen zum Bergwasser zudosiert. Der Verbrauch an Magnesiumchlorid betrug 3000 kg pro Jahr. Bei diesem Versuch wurde zuerst der Stahlcontainer von der Milchsäure befreit und danach mit Wasser gespült. Danach wurden 1500Liter einer 32,8% MgCl ₂ -Lösung in den Container gefüllt. Danach wurden die Dosiermengen eingestellt und zwar so, dass rund 3 ml/min dieser Lösung in jede der beiden Rigolen zudosiert wurde. Demnach sollte der Container nach 6 Monaten leer sein.

Die Wirkung gegen die Bildung von Kalkablagerungen war vergleichbar mit jener der Milchsäuredosierung, wobei sich aber kein Biofilm entwickelt hat.

Je nach Bergwasserzusammensetzung sollen die Mineralsalze ausgesucht und als flüssige Mischung zudosiert werden. Bei hohen pH-Werten ist die Verwendung von Natriumchlorid zu bevorzugen. Gibt es eher wenig Magnesium im anfallenden Bergwasser, so kann Magnesiumchlorid verwendet werden.

Bei der Verwendung von Mineralsalzen in fester Form kann auf die Lehre der Patentschrift CH 694 022 zurückgegriffen werden. Hier sind die wichtigsten Trägersubstanzen sowie die wichtigsten Härtestabilisatoren erwähnt, die zur Herstellung von Formkörpern, sogenannten Depotsteinen, dienen können. Alle diese Substanzen lassen sich auch in Kombination mit den hier vorgeschlagenen Mineralsalzen verwenden. Es ist dabei die hohe Löslichkeit der Mineralsalze zu beachten. Zudem muss ein wirksamer Gehalt an Mineralsalzen enthalten sein. Dieser wirksame Gehalt an Mineralsalzen liegt vorzugsweise bei mindestens 10% Mineralsalze bezogen auf das Gewicht des Formkörpers. Auch bei dieser Anwendung eignen sich die Stabilisationssalze besonders gut.

Einen weiteren Aspekt bilden die in der Natur vorkommenden Lagerstätten aus Stabilisationssalzen, die als Ausgangsmaterial verwendet werden können. Hier ist deren Verwendung als Depotsteine besonders vorteilhaft. Insbesondere das Mineral„Camallit" eignet sich für die Verwendung als Depotstein hervorragend. Es ist einerseits gut wasserlöslich und besteht zudem aus KMgCl ₃ · 6 H ₂ 0. Dieses Material liefert den Rohstoff zur Gewinnung von Magnesium und wird zudem als Düngemittel verwendet. Die Depotsteine können aus dem Rohmaterial zu Formkörpern gepresst und danach eingebaut oder direkt verwendet werden, indem man das Rohmaterial als Granulat beispielsweise auf der Baustelle mit dem Sickerkies der Drainageleitungen mischt und danach diese Mischung um die Drainagerohre einbaut.

Andere mögliche Kandidaten für die Herstellung geeigneter Depotsteine sind Magnesiumacetat (Magnesiumsalz der Essigsäure) oder auch Magnesiumeitrat (Magnesiumsalz der Zitronensäure). Die Mineralsalze können aber auch direkt in das primäre EWS z.B. in die Sickerpackungen um die Drainagerohre eines Tunnelbauwerks, eingebaut werden. Die Dosierung wird zwar nicht konstant sein aber ein positiver Effekt auf die Bildung von Kalkablagerungen ist sicher. So lassen sich Mineralsalze auch in Bereichen einsetzen, die schwer zugänglich sind, wie beispielsweise die Trasse der Bahnanlagen, insbesondere der Schnellbaustrecken. Auch hier muss der Untergrund entwässert werden und auch hier erschweren Kalkablagerungen den Betrieb. Durch die Besprühung des Trasses mit einem Gemisch aus geeigneten Mineralsalzen und Wasser können die Salze langsam in den Untergrund wandern und so das tiefliegende EWS schützen. Auch bei dieser Anwendung eignen sich die Stabilisationssalze besonders gut.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 erstes Portal 4 zweite Dosierungsstelle

2 zweites Portal 5 Wasserfluss im

3 erste Dosierungsstelle Tunnelbauwerk