Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung von Bergwasser in einem Tunnelentwässerungssystem.
Stand der Technik
[0002] Bei den Hochbauwerken verfügen vor allem die grossen Bauten wie Hochhäuser, Einkaufszentren oder Wohnüberbauungen über nennenswerte Entwässerungssysteme. Bei Tiefbauwerken gehören Entwässerungssysteme zur Standardausrüstung und sind überall anzutreffen. Gerade bei öffentlichen Infrastrukturanlagen wie z.B.
Bahnhöfen, Flughafenanlagen, Strassen, Tunnelbauten, Stollen für Wasserkraftanlagen, Kavernen für Wasserkraftanlagen, Staumauern, Talsperren, Wasserkraftbauten, Erddämmen, Stützmauern, Strassenbauten oder Hangentwässerungsanlagen wird viel Geld in den Bau funktionstüchtiger Entwässerungssysteme investiert.
[0003] Für die Bahn- und Strassentunnelbauten stellen die Entwässerungssysteme das zentrale Bauteil dar.
Der Verlust oder das Fehlen eines funktionstüchtigen Entwässerungssystems hat bei Tunnelbauten in der Regel katastrophale Folgen, für den Betrieb der Anlage sowie für deren Dauerhaftigkeit.
Darstellung der Erfindung
[0004] Für die vorliegende Erfindung stellen diese Bauwerke den zentralen Anwendungsbereich dar.
[0005] Bei der Entwässerung von Tunnelbauwerken unterscheidet man das primäre und das sekundäre Entwässerungssystem.
[0006] Das primäre Entwässerungssystem umfasst die Elemente des Entwässerungssystems, die nach Fertigstellung des Bauwerks nicht mehr frei zugänglich sind, wie z.B. die anstehende Felsoberfläche mit ihren Klüften, Noppenbahnen bzw.
-streifen, Drainagematten, Vliesen, Drainagebohrungen, Sickerpackungen um die Drainagerohre herum, Sickerschichten, Öffnungen der Drainagerohre (aussen) und dgl.
[0007] Das sekundäre Entwässerungssystem eines Bauwerks beinhaltet die nach der Fertigstellung des Bauwerks frei zugänglichen Elemente des Entwässerungssystems (EWS) wie z.B. die Drainagerohre (innen), Schächte, Schlammsammler, Wasserableitungen, Hauptentwässerungsleitungen und dgl.
[0008] Unter Bergwasser, das in einem Tunnelentwässerungssystem anfällt, soll, für die vorliegende Erfindung, die Summe aller möglichen Wasserzuflüsse, die in einem Tunnel vorkommen können, verstanden werden.
Diese Zuflüsse können verschiedener Herkunft sein, wie beispielsweise Grund-, Sicker-, Karst- oder normale Bergwässer einzeln oder in Mischungen, wobei, gesamthaft betrachtet, die Bergwässer den grössten Anteil an den abzuführenden Wässern in Tunnels ausmachen. Im Folgenden steht deshalb der Begriff Bergwässer stellvertretend für alle möglichen Wassertypen.
[0009] Die in Tunnelbauwerken anfallenden Bergwässer weisen einen unterschiedlich hohen Gehalt an gelösten Wasserinhaltsstoffen auf. Diese vorwiegend anorganischen Wasserinhaltsstoffe verursachen oft harte Ablagerungen. Beim Eintritt dieser Grund- und Bergwässer in Entwässerungssysteme verändern sich die physikalischen Bedingungen derart, dass die ursprünglich gelösten Wasserinhaltsstoffe harte, fest haftende Ablagerungen bilden, welche in amorpher oder kristalliner Form vorliegen können.
Die Ablagerungen bestehen 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 des Entwässerungssystems führen kann. Die Ablagerungen entstehen einerseits durch den Druckabfall des Bergwassers beim Zuströmen auf das Bauwerk und in das Entwässerungssystem und andererseits durch die pH-Werterhöhung des Bergwassers in Kontakt mit den heutigen Baustoffen wie Zementinjektionen, Beton und dergleichen.
Daneben gibt es noch andere, untergeordnete Parameter, die die Ablagerungsbildung beeinflussen, wie die Temperatur oder die Mischung verschiedener Wässer.
[0010] Zur Verdeutlichung der generellen Problematik soll der Leser auf die Publikation von M.C. Wegmüller: "Einflüsse des Bergwassers auf Tiefbau/Tunnelbau", Stäubli AG, Zürich 2001, ISBN 3 7266 0052 3 zurückgreifen.
[0011] Unabhängig von ihrer Bildungsart verkleinern diese harten, fest haftenden Ablagerungen die Abflussquerschnitte der Entwässerungssysteme oder schliessen sie in Extremfällen ganz. In der Folge können die anfallenden Wassermengen nicht mehr frei abfliessen, und es bilden sich Rückstaus, die grosse Schäden verursachen können. Diese Ablagerungen reduzieren die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems.
In Teilen des primären Entwässerungssystems reduzieren oder zerstören die Ablagerungen die Funktionsfähigkeit der Entwässerung. Da der primäre Teil des Entwässerungssystems nicht frei zugänglich ist, müssen die Ablagerungen, die dort auftreten, mit aufwendigen und kostenintensiven Sanierungsarbeiten entfernt werden, um die Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems gewährleisten zu können.
Im sekundären Teil des Entwässerungssystems sind regelmässige, kostenintensive Unterhaltsarbeiten zur Entfernung der Kalkablagerungen in Intervallen von 6 Monaten bis 2 Jahren die Regel.
[0012] Die Schäden, die durch die Ablagerungsbildung in Bauwerksentwässerungssystemen entstehen können, reichen von unerwünschten Wasserinfiltrationen ins Bauwerksinnere zu hohen Wasserdrücken auf die Bauwerksschale, Eisbildung auf Fahrbahnen, Vernässungen im Gewölbe, verbunden mit der Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen bei Bahntunneln und dergleichen. Zudem verringert der direkte Wasserkontakt generell die Dauerhaftigkeit der Bauwerke.
Speziell bei jenen Bauwerken, deren Stabilität von der einwandfreien Funktionstüchtigkeit des Entwässerungssystems abhängig sind, können Ablagerungen fatale Folgen haben.
[0013] Die zurzeit gebräuchlichsten Verfahren zum Entfernen dieser Ablagerungen sind: die elektromechanische Reinigung mit Spezialwerkzeugen wie beispielsweise Kanalfernsehen verbunden mit Robotik, sowie Hochdruckspülen oder Hochdruckfräsen mit Wasser. Diese Verfahren sind kostspielig, arbeitsintensiv und führen oft zu unerwünschten Betriebsunterbrüchen.
Sind diese Arbeiten, aus bautechnischen Gründen, nicht möglich oder erzielen nicht das gewünschte Resultat, so kann die Funktionstüchtigkeit meist nur mit enorm aufwendigen Sanierungsarbeiten wiederhergestellt werden.
[0014] Die objektive Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung kann deshalb wie folgt beschrieben werden: Gesucht wird eine Möglichkeit zum Schutz des primären und/oder des sekundären Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen. Der Schutz soll dauerhaft, d.h. während der gesamten Lebensdauer des Bauwerks, möglich sein. Der Schutz soll partiell einsetzbar sein, d.h. Zonen ohne Ablagerungen sollen, aus Kostengründen und ökologischen Gründen, vom Schutzumfang ausgenommen werden können.
Der Schutz soll, aus Kostengründen und ökologischen Gründen, zeitlich begrenzt möglich sein, das heisst, sowohl der Anfang wie auch das Ende der Schutzmassnahmen müssen frei wählbar sein. Die Schutzmöglichkeiten müssen entsprechend den stetig steigenden Unterhaltsanforderungen, wie beispielsweise bei den Neat-Bauwerken, kostengünstig, unterhaltsfreundlich, umweltverträglich, sehr robust und in kürzester Zeit möglich sein. Gerade der Zeitfaktor ist für solch teure Bauwerke der limitierende Faktor, denn ein Tag Betriebsunterbruch des Gotthard-Basistunnels vernichtet Investitionsgelder von 1 Million Schweizer Franken.
Ein konventioneller Unterhalt des Entwässerungssystems kommt deshalb, für solche Bauwerke, schon deshalb nicht in Frage.
[0015] Die Einsatzmöglichkeiten für ein solches Verfahren wären universell, gibt es doch auf der ganzen Welt Probleme mit Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen. Die Kosten für die Sanierung der betroffenen Bauwerke übersteigt fast immer eine Million Euro und kann bis zu über 100 Millionen Euro erreichen, wie beispielsweise beim Burnley Tunnel in Melbourne, Australien (Eröffnung 2000;
Sanierung 2000-2006).
[0016] In den vergangenen Jahren wurde eine Reihe von Verfahren und Produkten entwickelt, um die Bildung von Ablagerungen in Tunnelentwässerungssystemen zu reduzieren oder ganz zu verhindern.
[0017] Aus der WO-A-94/19 288 ist ein Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in einem Bauwerksentwässerungssystem bekannt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem abzuführenden Sicker- oder Grundwasser ein Konditionierungsmittel in flüssiger Form zugegeben wird, wobei das Konditionierungsmittel ein Stabilisierungsmittel für Härtebildner und ein Dispergiermittel enthält. Die Anwendung des Verfahrens beschränkt sich dabei auf das sekundäre Entwässerungssystem. Lösungen für das primäre Entwässerungssystem fehlen hier gänzlich.
Bei der Behandlung von Bergwässern mit unbeeinflusstem pH-Wert wurden mit diesem Verfahren, in der Regel, gute Resultate erzielt. Steigt aber der pH-Wert des Bergwassers gesamthaft über 9 an, oder mischen sich stark alkalische Zuflüsse, mit pH-Werten über 10, zum abzuführenden Bergwasser, so verlieren die herkömmlichen Härtestabilisatoren und Dispergatoren ihre Wirkung. In vielen Schweizer Tunnelbauwerken gelingt es daher nicht, trotz dem Einsatz der flüssigen Härtestabilisation die Bildung neuer harter Ablagerungen ganz zu verhindern.
Besondere Probleme dieser Art zeigen sich z.B. im SBB Adlertunnel, der Umfahrung Flüelen, im Bareggtunnel der A1 und vielen anderen Tunnelbauwerken.
[0018] In den Schriften CH 689 452 A5 sowie WO 02/16 731 A2 werden u.a. so genannte Depotsteine (Steine) beschrieben, die dazu geeignet sind, Ablagerungen auch im primären Teil des Entwässerungssystems eines Tunnels zu verhindern. Diese Steine enthalten ein oder mehrere Konditionierungsmittel in fester Form und werden durch geeignete Verfahren zu Tabletten, Blöcken oder Stangen geformt und danach in das Entwässerungssystem gelegt. Bei Kontakt des Grund- oder Bergwassers mit den Steinen lösen sich diese langsam auf, geben den Wirkstoff frei und schützen dadurch alle nachfolgenden Teile des Entwässerungssystems vor der Bildung von harten Ablagerungen.
Diese Depotsteine werden oft während der Bauphase des Bauwerks zum Schutz des primären Entwässerungssystems verwendet. In dieser Zeit können regelmässige Unterhaltsarbeiten nicht oder nur mühsam durchgeführt werden, weshalb sich die Bauherren und Planer oft dazu entschliessen, die Steine in die Sickerpackungen der Drainageleitungen einzubauen und dadurch die besonders intensiven Ablagerungen während der Bauzeit, als Folge der pH-Wertverschiebung, abzufangen. Einige Beispiele ausgeführter Bauwerke sind beide Tunnel von AlpTransit, Bareggtunnel A1, Umfahrung Klosters, Umfahrung Flims und viele mehr. Da die Steine aus den gleichen Wirksubstanzen bestehen, die für die flüssige Härtestabilisation benutzt werden, verlieren auch sie einen Teil ihrer Wirkung bei hohen pH-Werten.
Zudem können die Steine nicht nachgelegt werden, wenn sie aufgebraucht sind.
[0019] Seit ein paar Jahren wird nun ein neues System, das sogenannte Rückführungssystem, angeboten, das es ermöglicht, einen Teil des konditionierten Bergwassers aus dem sekundären Entwässerungssystem in das primäre Entwässerungssystem zurückzuführen. Beim Rückführungssystem wird das Bergwasser des sekundären Entwässerungssystems partiell oder gesamthaft konditioniert. Dieses bereits konditionierte Bergwasser entnimmt man nun mit einer Pumpe aus einem Schacht und führt es mit einer Schlauchleitung in das primäre Entwässerungssystem zurück. Damit dies überhaupt möglich ist, müssen die Schlauchleitungen während der Bauzeit des Tunnels in die Sickerpackungen der Drainagerohre verlegt werden.
Das konditionierte Bergwasser aus dem sekundären Teil des Entwässerungssystems gelangt nun, über kleine Öffnungen in den Schlauchleitungen, in den primären Teil des Entwässerungssystems. Nun vermischt sich das bereits konditionierte Bergwasser mit dem neuen, frischen, ablagernden Bergwasser des primären Entwässerungssystems und verhindert so die frühe Ablagerungsbildung. Dadurch erreicht man beispielsweise, dass die Ablagerungsbildung noch früher, das heisst ausserhalb der Drainagerohre, bereits in den Sickerpackungen, verhindert wird. Die Kombination von Depotsteinen während der Bauzeit und diesem Rückführungssystem, ab der Inbetriebnahme des Bauwerks, hat sich als attraktiv für Bauherren und Planer erwiesen.
Die genaue Wirkungsweise und die Ausführungsdetails des Systems können der Schweizer Patentanmeldung 58/04 entnommen werden.
[0020] Diese drei oben genannten Verfahren, die Konditionierung des sekundären EWS mit flüssigen Wirkstoffen, der Einsatz von Depotsteinen und das Rückführungssystem haben eines gemeinsam. Nach nun fast 15 Jahren Praxiseinsatz verwenden all diese Verfahren in der Regel fast die gleichen Wirkstoffe. In der Praxis bewährt haben sich nicht die Komplexbildner wie EDTA, NTA und dgl., sondern Substanzen mit dem grössten Thresholdeffekt gegenüber Calciumcarbonat, wie beispielsweise Polyasparaginsäure, die eine sehr hohe Umweltverträglichkeit und gleichzeitig eine gute Wirtschaftlichkeit aufweist.
In der Schweiz stehen zurzeit im Einsatz die Polycarbonsäuren, Polyasparaginsäure und Polysuccinimid als Vorprodukt der Polyasparaginsäure.
[0021] Bisher ging man davon aus, dass diese Substanzen eine hohe Wirksamkeit im unterstöchiometrischen Bereich haben und deshalb in sehr geringen Mengen zudosiert werden müssen. In der WO 94/19288 ist ein Vergleichsversuch aufgeführt, wonach die Zugabe von 6-8 g Polycarbonsäure (Nalco 77320 vormals Nalco 7311 Plus) zu 1 m<3 >Bergwasser die Ausfällung von 2 dH Kalk verhindern konnte. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen waren damals richtig, aber vielleicht etwas optimistisch, hat es sich doch in den vergangenen Jahren gezeigt, dass die Dosierung der Wirkstoffe, insbesondere bei Bauwerken mit pH-Werterhöhung des Bergwassers, meist deutlich höher zu liegen kommt.
Zudem stellt man fest, dass als Folge der Einführung der neuen europäischen Normvorschriften auch in der Schweiz die Beeinflussung des pH-Wertes der Bergwässer stark zugenommen hat. In den vergangenen 5-8 Jahren hat die Zahl der Neubautunnel mit starken, zementbedingten Ablagerungen deutlich zugenommen. Wir haben die Vermutung, dass die, neuerdings erlaubte, Zumischung von freiem Kalk zum Zement dafür verantwortlich ist. Ein weiterer schwerwiegender Nachteil der verwendeten Substanzen ist ihre Eigenschaft, sich an die im Bergwasser gelösten Feinpartikel anzulagern. Diese Feinpartikel stammen aus dem umliegenden Gestein und werden zusammen mit dem Bergwasser aus dem Bauwerk geschwemmt. Durch die Anlagerung der Härtestabilisatoren an diese Partikel geht leider oft viel Wirksubstanz ungenutzt verloren.
Zudem haben die industriell gefertigten Härtestabilisatoren doch die Eigenschaft, relativ lange wirksam zu bleiben, was demzufolge auf Kosten der biologischen Abbaubarkeit geht. Grundsätzlich bietet die vielerorts eingesetzte Polyasparaginsäure die besten ökologischen Eigenschaften, aber auch sie weist einen hohen Anteil an Stickstoff auf, der eigentlich unerwünscht ist.
[0022] Nun wurde völlig überraschend entdeckt, dass als Konditionierungsmittel eine Wirksubstanz mit völlig anderen Eigenschaften sich hervorragend zum Schutz der Entwässerungssysteme vor der Bildung von Ablagerungen eignet. Es handelt sich dabei um die Milchsäure oder auch 2-Hydroxypropansäure (nach IUPAC), die in 2 Formen, als L(+)-Milchsäure und als D(-)-Milchsäure, vorkommt.
Für die Anwendung in Bauwerksentwässerungssystemen eignet sich insbesondere die L(+)-Form.
[0023] Milchsäure ist ein organischer Stoff aus der Natur, der bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln (z.B. Milchprodukte und Gemüse), seit geraumer Zeit Einsatz findet. Milchsäure wird vorwiegend fermentativ hergestellt, das heisst, es entsteht als Produkt bei bestimmten Bakterienkulturen. Je nach Art der Umsetzung von Glucose (homo- bzw. heterofermentativ) entsteht Milchsäure mit und ohne begleitende andere Gärprodukte. Es handelt sich um eine klare, sirupartige, geruchlose und angenehm sauer schmeckende Flüssigkeit, die in Wasser gut löslich ist. Die rechtsdrehende L(+)-Milchsäure kommt im Blut, in der Muskulatur und in den Organen der Tiere und Menschen vor.
Als Ausgangsstoff für die Fermentation kann prinzipiell jede kostengünstige Zuckerart als Kohlenwasserstoffquelle eingesetzt werden. Die Wahl dieser Quelle hängt nur vom verwendeten Bakterienstamm ab. Vorzugsweise werden Zucker, die aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten oder "Abfällen" der Lebensmittelindustrie stammen, wie Glukose, Maltose, Dextrose aus Getreide oder Kartoffelstärke, Saccharose aus Zuckerrohr oder -rüben, Laktose aus Molke eingesetzt.
[0024] Um die Wirksamkeit der Milchsäure als Konditionierungsmittel gegenüber den bisher verwendeten Wirkstoffen zu testen, wurden einige Experimente durchgeführt. Als erstes Experiment wurde mineralisiertes Bergwasser eingedampft:
[0025] In einem Erlenmeier wurde 1l stark mineralisiertes Bergwasser (Typ: Valserwasser ohne Kohlensäure) mit 20 ppm Polyasparaginsäure versetzt (42%-Lösung) und eingedampft.
Das Resultat war eine milchige Lösung (1 dl) mit wenig harten Kalkablagerungen an den Glaswänden. Danach wurde die gleiche Menge Valserwasser mit 20 ppm Milchsäure (92%, als Lösung) versetzt und bis auf 1 dl eingedampft. Das Resultat war eine klare Flüssigkeit mit gleich viel Kalkablagerungen an den Glaswänden, wie bei der Polyasparaginsäure, die sich aber etwas leichter entfernen liessen. Ohne die Zugabe eines Wirkstoffs setzte sich sehr viel mehr Kalk an, der nur sehr schwer zu entfernen war. Die Milchsäure war bei diesem Experiment der Polyasparaginsäure überlegen.
Beide Substanzen wurden in der handelsüblichen Form zugesetzt.
[0026] Als zweites Experiment wurde der pH-Wert von mineralisiertem Bergwasser nach oben verschoben, bis es zur Ausfällung von Kalkkristallen kam.
[0027] In einem Erlenmeier wurde wiederum 1l Valserwasser mit 20 ppm Polyasparaginsäure (42%-Lösung) versetzt. Danach wurde 1 normale Natriumhydroxidlösung tropfenweise zugesetzt. Nach der Zugabe von 10 Tropfen wurde das Mineralwasser trübe, ohne dass die Kristalle zu erkennen waren. Nach 15 Tropfen wurden die Kristalle sichtbar und liessen sich auch durch langes Rühren nicht wieder auflösen. Das gleiche Experiment mit 20 ppm Milchsäure (100%) ergab, dass selbst die Zugabe von 15 Tropfen Natriumhydroxidlösung nur eine leichte Trübung, aber noch keine sichtbaren Kristalle verursachte.
Ohne Wirkstoff wurde das Mineralwasser durch die Zugabe von 10 Tropfen Natriumhydroxidlösung milchig und es bildeten sich grosse flächige Kalkkristalle. Bei diesem Experiment war die Milchsäure der Polyasparaginsäure weit überlegen, und es lässt sich daraus schliessen, dass sich in der Praxis, bei ähnlich gelagerten Fällen (pH-Werterhöhung durch die Baustoffe), durch die Zugabe gleicher Mengen von Milchsäure (in der handelsüblichen Form, als 92%-Lösung) anstelle von Polyasparaginsäure (in der handelsüblichen Form 42%-Lösung) zum Bergwasser, in Zukunft nur noch wenig oder gar kein Kalkschlamm mehr im Entwässerungssystem ablagern sollte.
[0028] Das dritte Experiment wurde in der Praxis im Adlertunnel der SBB durchgeführt. Im Adlertunnel steht seit rund 10 Jahren eine Härtestabilisationsanlage im Betrieb.
Die Anlage dosiert dort mittels Pumpe Polyasparaginsäure (42%-Lösung) zum Bergwasser im Bereich des Tunnelsüdportals. Das Bergwasser fliesst kontinuierlich, von der höchsten Stelle des Tunnels (Südportal), nach Norden und verlässt den Tunnel nach rund 5 km beim Nordportal des Tagbautunnels. Die Dosierstelle wurde so gewählt, dass sie unter Ausnutzung des Wasserflusses, möglichst am Anfang, d.h. an der höchsten Stelle des Entwässerungssystems, steht, aber auch in Trockenzeiten immer noch ein konstanter Wasserfluss gewährleistet bleibt. Die Dosierstelle befindet sich deshalb rund 200 Metern nördlich des Südportals.
Nach weiteren 100 Metern, das heisst 300 Meter nördlich des Südportals, fliesst sehr stark alkalisches Bergwasser aus dem Umgebungsgestein (Jettingzone) zum Bergwasser der Hauptentwässerung (Rigole) und verursacht dort, als Folge der pH-Werterhöhung, sehr starke Kalkablagerungen in der Rigole, die erst nach weiteren rund 300 Metern abklingen (d.h. bis 600 Meter nördlich des Südportals). Bisher wurde eine Menge von 100 Liter Polyasparaginsäure (42% Wirkstoffanteil) pro Monat zum Bergwasser zudosiert. Dadurch konnte die Ablagerungsbildung in diesem Bereich zum grössten Teil verhindert werden. Dennoch mussten in diesem Abschnitt, in einem Intervall von 2 Jahren, der neugebildete Kalkschlamm und der neue harte Kalk regelmässig entfernt und abtransportiert werden.
Die Kosten für eine solche Reinigung belaufen sich jedes Mal auf rund CHF 30 000-40 000.-.
[0029] Nun wurde anstelle von Polyasparaginsäure Milchsäure (92%-Lösung) in einer Menge von 100 Liter pro Monat zudosiert. Um das Resultat besser beurteilen zu können, wurden gleichzeitig, mit dem Beginn der Milchsäurezugabe, 5 Versuchssteine in der Rigole ausgelegt. Das Resultat war eindrücklich.
[0030] Bereits nach 7 Tagen konnte beobachtet werden, dass im Bereich der Dosierstelle die alten harten Kalkablagerungen verschwunden waren. Im weiteren Verlauf der Rigole konnte beobachtet werden, dass sich die zugesetzte Milchsäure deutlich in die bereits bestehenden Kalkablagerungen eingegraben hat.
Von den 5 Kontrollsteinen die in der Rigole als Köder ausgelegt wurden, zeigt nur der nördlichste Stein leichte Spuren von weisem Kalk.
[0031] Nach 14 Tagen war die Auflösung der jungen weichen Kalkschichten bereits abgeschlossen und der alte harte Kalk der sich trotz regelmässiger Reinigung nicht entfernen liess, kam zum Vorschein. Nun war auch der letzte Versuchsstein frei von Ablagerungen. Dies bedeutet, dass die Milchsäure den leichtlöslichen Kalk im Bereich der Dosierstelle vollständig abgetragen hat und nun genügend Milchsäure auch beim letzten Versuchsstein zur Verfügung steht. Die Milchsäure bahnt sich sozusagen den Weg durch die alten Ablagerungen.
[0032] Dies bedeutet einen ganz unglaublichen Fortschritt gegenüber der bisherigen Lösung. Die Länge des Versinterungsbereichs konnte von 300 Meter auf 0 Meter reduziert werden.
Die bisherige Breite der jährlichen Ablagerungen betrug an der schlimmsten Stelle rund 30 cm, bei einer Stärke von 10 cm.
[0033] Im nachfolgenden Teil des Tunnels konnten keine weiteren nennenswerten, neugebildeten Ablagerungen angetroffen werden. Die Anzahl, Art und Ausmass der in der Rigole vorhandenen Bakterien, die sich von den zudosierten Produkten ernähren, kann sich durch den Einsatz der Milchsäure eventuell leicht vergrössern. Während wir beim Einsatz der Polyasparaginsäure eher rote bis braune Bakterienfäden angetroffen haben, wechselt die Population nun, durch den Einsatz der Milchsäure, ihre Farbe zu weiss bis gelblich. Aus den Fäden wurden nun kleine weiche Klumpen. Der Bereich, in dem diese Bakterien anzutreffen sind, ist eher grösser geworden und erstreckt sich nun auf rund 200 Metern Länge.
Danach, das heisst mit zunehmender Verdünnung des Bergwassers, verschwinden auch die Bakterien wieder. Der Anteil der Wirksubstanz, der durch die Bakterien abgebaut und so der eigentlichen Bestimmung entzogen wird, beläuft sich auf unter 5%. Dies wurde in einer Vielzahl von Experimenten in den vergangenen Jahren mehrfach bestätigt. Die bestimmenden Faktoren für die Abbaurate einer Substanz durch Bakterien sind: die Konzentration der Substanz im Wasser, Aufenthaltszeit der Substanz im Wirkungsbereich der Bakterien und die Anzahl der Bakterien, die sich am Abbau beteiligen. In den meisten Fällen beträgt die Aufenthaltszeit der Substanz, im Wirkungsbereich der Bakterien, in einem Tunnel, nur wenige Minuten, sodass dieser Faktor das Ausmass des Abbaus bestimmt.
In fast allen Fällen verschwinden die Bakterien im Bergwasser, wenn die Konzentrationen der Substanzen unter rund 25-100 ppm sinken. Die Bakterien können nur eine bestimmte Schichtdicke erreichen, sonst sterben die in der Mitte liegenden Bakterien ab und zudem verschwinden, bei einer Veränderung des Wasserflusses in der Riogle, alle Bakterien, die in trockene Zonen zu liegen kommen.
[0034] Die Lösung der Aufgabe und damit Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Konditionierung von Bergwässern in einem Tunnelentwässerungssystem mit einem Konditionierungsmittel, welches dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Konditionierungsmittel einen wirksamen Gehalt an Milchsäure enthält.
[0035] Durch die Zugabe eines Konditionierungsmittels auf Basis von Milchsäure zu dem zu behandelnden Bergwasser im Tunnelentwässerungssystem kann das Aufwachsen der Kristallkeime wirkungsvoll verhindert werden. Gleichzeitig wird die Bildung von harten Ablagerungen unmöglich. Daneben sind diese Konditionierungsmittel in der Lage, bereits bestehende Ablagerungen aufzulösen.
[0036] Die Milchsäure kann dabei einzeln oder aber in Mischung mit anderen Konditionierungsmitteln zur Anwendung kommen.
[0037] Konditionierungsmittel für wässrige Systeme werden auf Grund ihrer Wirkungsweise verschieden bezeichnet, z.B. als Dispergiermittel, Härtestabilisatoren und Schutzkolloide.
Dazu gehören auch Sequestierungsmittel (Komplexierungsmittel) und gegebenenfalls auch weitere grenzflächenaktive Stoffe (Tenside) sowie Biozide. Wichtig sind insbesondere Härtestabilisatoren, d.h. Verbindungen, die zur Stabilisierung der Härtebildner in Entwässerungssystemen geeignet sind, wobei sie das Kristallwachstum desaktivieren und zumeist Oberflächenladung verändernde Eigenschaften aufweisen, sowie Dispergatoren (Dispergiermittel).
Dispergiermittel sind Oberflächenladung verändernde Verbindungen, die ungelöste Feststoffteilchen im Wasser - auch im kolloidalen Bereich - dispergieren, d.h. fein verteilt halten.
[0038] Erfindungsgemässe Konditionierungsmittel auf Basis von Milchsäure werden dem Bergwasser in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung des Bergwassers zugegeben.
[0039] Härtestabilisatoren und Dispergatoren überschneiden sich oft in ihrer Wirkung. Daher werden Konditionierungsmittel, bevorzugt auch Kombinationen mit Härtestabilisatoren oder Dispergatoren eingesetzt, wobei sich in der Regel ein höherer Wirkungsgrad gegenüber dem getrennten Einsatz ergibt.
Konditionierungsmittel können auch noch weitere geeignete Zusätze enthalten, wobei aber immer für die Behandlung des abzuführenden Sicker- oder Grundwassers entscheidend sein muss, dass durch den Einsatz eines spezifischen Konditionierungsmittels bzw. Konditionierungsmittelgemisches eine umweltgerechte Verhinderung der Versinterungen erreicht wird.
[0040] Gegebenenfalls können neben Milchsäure im Konditionierungsmittel weitere Härtestabilisatoren im erfindungsgemässen Verfahren eingesetzt werden.
Als zusätzliche Härtestabilisatoren können Verbindungen der Reihe anorganische kondensierte Phosphate, wie Alkali-di-, tri- und -polyphosphate, organische Phosphorverbindungen oder Organophosphonsäuren, wie beispielsweise 2-Methyl-propanphosphonsäure, Hydroxyethylidendiphosphonsäure, Aminomethylenphosphonsäuren, N-haltige Phosphonate, Aminophosphonate, Aminoalkylenphosphonsäuren wie Aminotri(methylenphosphonsäure) oder Diethylentriamino-penta(methylenphosphonsäure), Poly(aminomethylen-phosphonate), oder Hydroxyethylethylen(di(aminomethylen)-phosphonsäure), ferner Phosphonocarbonsäuren, z.B.
Phosphonobutan-tricarbonsäure, Phosphatester, Polyphosphorsäureester, Aminophosphate, Bernsteinsäureamid, Kohlenhydrate, Polysaccharide, Glukonate, Polyglycoside, Polyglucoside und deren Derivate, Polyoxycarbonsäuren sowie deren Copolymere, oxidierte Kohlenhydrate, wie oxidierte Zellulose, Stärke oder Dextrin, Proteine und andere Eiweissprodukte, wasserlösliche Polyaminosäuren, beispielsweise Polyasparaginsäure, Silikate, wie Alkalisilikate, Wasserglas oder Zeolithe eingesetzt werden.
Auch die wasserlöslichen Salze der aufgeführten Säuren sind geeignet, bevorzugt die Natriumsalze.
[0041] Als Dispergatoren für das erfindungsgemässe Verfahren auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelenwässerungssystemen sind unter anderem geeignet: Tanninderivate, wie sulfitierte Tannine, Ligninsulfonate, sulfonierte Kondensationsprodukte des Naphthalins mit Formaldehyd, anionische Polyelektrolyte, z.B. Polymerisate auf Acrylatbasis, wie Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyacrylamide und Copolymere von Acrylsäure bzw.
Methacrylsäure und Acrylamid, ferner P-haltige polymere Verbindungen, wie N-Phosphomethyl-makrocyclische Polyether oder phosphonomethylierte Oxyalkylenamine sowie Phosphinsäure-haltige Homo- und Copolymere von Acrylsäure und Acrylamid und oligomere Phosphinico-Bernsteinsäure-Verbindungen (wie sie in der US-A 4 088 678 beschrieben werden). Weiter sind geeignet Polymere mit N-substituierten Amidfunktionen, z.B. sulfomethylierte oder sulfoethylierte Polyacrylamide und Polymethacrylamide und Copolymere bzw. Terpolymere mit Acrylsäure und Maleinsäureester, N-Butylacrylamid und dessen Copolymere und Acrylamidopropionsulfonsäure als Salz und deren Copolymere, ferner phosphinoalkylierte Acrylamidpolymere und Copolymere mit Acrylsäure, Copolymere von Alkenen mit ungesättigten Dicarbonsäuren, und Polymere und Copolymere auf der Basis von Maleinsäure.
Wasserlösliche Salze entsprechender Säuren sind ebenfalls geeignet.
[0042] Weiterhin können dem erfindungsgemässen Verfahren auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen Sequestrierungsmittel zugegeben werden.
[0043] Als Komplexierungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung eignen sich unter anderem Iminodisuccinat (IDS), Nitrilotriessigsäure, Zitronensäure, Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Ethercarboxylate oder oxidierte Kohlenhydrate, beispielsweise partiell hydrolysierte und oxidierte Stärke oder Dextrin.
Weiterhin sind phosphorhaltige Komplexbildner wie z.B. kondensierte Phosphate und Phosphonate geeignet, sofern diese nicht bereits in ihrer Funktion als Härtestabilisatoren eingesetzt werden.
[0044] Wie bereits oben beschrieben, können dem erfindungsgemässen Verfahren auf Basis von Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen zur Eindämmung des Wachstums von Mikroorganismen Biozide hinzugefügt werden. Prinzipiell sind dafür alle gemäss den nationalen Vorschriften zur Reinhaltung von Gewässern anzuwendenden Biozide geeignet.
Als bevorzugte Biozide im Sinne der vorliegenden Erfindung werden Phthalimidoperoxohexansäure, Dibenzoperoxid, Chlorbromdimethylhydantoin oder weitere organische Peroxide eingesetzt.
[0045] Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf Basis der Milchsäure zur Konditionierung von Bergwasser in Tunnelentwässerungssystemen kann in üblicher Form wie beispielsweise mittels flüssiger Zugabe über eine Dosieranlage und Dosierleitung oder mit Depotsteinen oder mit Hilfe des Rückführungssystems erfolgen.
[0046] An erster Stelle steht dabei natürlich die Zugabe der Milchsäure-basierten Konditionierungsmittel in flüssiger Form mittels Dosieranlage und Dosierleitung zum Bergwasser des Tunnelentwässerungssystems. Die Einsatzkonzentrationen bewegen sich dabei von 0,5 bis 50 000 ppm.
Die hohen Konzentrationsschwankungen ergeben sich aus dem Umstand, dass in der Regel nur eine Dosieranlage pro Bauwerk eingesetzt wird und deshalb bei der Dosierstelle so viel Wirkstoff zugegeben werden muss, dass beim Tunnelportal noch eine ausreichende Wirkung erzielt wird. Ein vernünftiger Wirkungsbereich der auf Milchsäure basierten Konditionierungsmittel dürfte, am Ende des Entwässerungssystem beim Tunnelportal, im Bereich zwischen 1 und 100 ppm liegen. Dabei wird das natürliche Gefälle des Tunnels ausgenutzt.
[0047] Als Konditionierungsmittel kann dabei bevorzugtermassen eine Mischung von Milchsäure und Polyasparaginsäure eingesetzt werden, da dort eine synergistische Wirkung beobachtet wird.
Dies bevorzugtermassen als Mischung von 1-10, bevorzugt 3-1, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 80-95%igen wässrigen Lösung von Milchsäure und 10-1, bevorzugt 3-1, Volumen-Anteilen einer im Wesentlichen 30-50%igen wässrigen Lösung von Polyasparaginsäure. Bevorzugtermassen wird ausschliesslich L(+)Milchsäure verwendet.
[0048] An zweiter Stelle steht die Zugabe des auf Milchsäure basierten Konditionierungsmittels mittels Depotsteinen. Das Verpressen der bevorzugt trocken kristallinen oder amorphen Milchsäure in sogenannte Depotsteine oder Tabletten erfolgt gegebenenfalls mittels diverser Hilfsstoffe. Besonders geeignet als Hilfsstoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Fettsäuren, insbesondere Stearinsäure, Palmitinsäure oder Laurinsäure.
Einen grossen Vorteil bildet dabei der relativ hohe Schmelzpunkt der Milchsäure und die Tatsache, dass die Milchsäure bei Normaltemperatur als reines Pulver vorkommt. Besonders geeignet sind Depotsteine, die neben einem wirksamen Anteil an Milchsäure einen wirksamen Anteil an Polysuccinimid enthalten.
[0049] Die Erfindung betrifft also auch einen Depotstein zur Einbringung eines Konditionierungsmittels in das primäre (und/oder ggf. sekundäre, dies aber untergeordnet) Bauwerksentwässerungssystem in fester Form, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass das Konditionierungsmittel einen wirksamen Gehalt an fester (kristallin/amorph) Milchsäure enthält.
Die Milchsäure kann als L(+)Milchsäure, bevorzugt entweder im Wesentlichen allein oder in Mischung mit Polyasparaginsäure, vorliegen.
[0050] Insbesondere beim Einsatz des Rückführungssystems, aber auch den beiden anderen Einsatzmöglichkeiten, bietet die Milchsäure, gegenüber den bisher eingesetzten Konditionierungsmitteln, den grossen Vorteil, dass sie zudem in der Lage ist, bereits bestehende Ablagerungen in kürzester Zeit aufzulösen und dadurch funktionsuntüchtig gewordene Entwässerungssysteme ohne aufwendige Sanierungsarbeiten wieder instand zu stellen. Daneben wird natürlich gleichzeitig auch die Bildung neuer Ablagerungen im primären und sekundären Entwässerungssystem verhindert.
Technical area
The invention relates to a method for conditioning mountain water in a tunnel drainage system.
State of the art
In building construction, especially the large buildings such as skyscrapers, shopping centers or residential complexes have significant drainage systems. In civil engineering, drainage systems are standard equipment and can be found everywhere. Especially in public infrastructure such.
Railway stations, airport facilities, roads, tunnels, tunnels for hydroelectric power plants, caverns for hydroelectric power plants, dams, dams, hydropower buildings, earth dams, retaining walls, road construction or slope drainage systems are investing a great deal of money in the construction of functional drainage systems.
For the railway and road tunnel buildings, the drainage systems represent the central component.
The loss or absence of a functioning drainage system usually has catastrophic consequences for tunnels, the operation of the plant and its durability.
Presentation of the invention
For the present invention, these structures represent the central area of application.
In the drainage of tunnel structures, a distinction between the primary and the secondary drainage system.
The primary drainage system comprises the elements of the drainage system which are no longer freely accessible upon completion of the structure, such as e.g. the upcoming rock surface with its clefts, dimpled sheets or
strips, drainage mats, nonwovens, drainage holes, trickle packs around the drainage pipes, seepage layers, openings of the drainage pipes (outside) and the like.
The secondary drainage system of a structure includes the freely accessible after completion of the structure elements of the drainage system (EWS) such. the drainage pipes (in), manholes, sludge collectors, water drains, main drainage pipes and the like.
Under mountain water, which is obtained in a tunnel drainage system, should, for the present invention, the sum of all possible water flows that can occur in a tunnel to be understood.
These tributaries can be of various origins, such as groundwater, seepage, karst or normal mountain waters, either singly or in mixtures, and, taken as a whole, the mountain waters make up the largest proportion of tunnels in tunnels. In the following, therefore, the term mountain waters is representative of all possible types of water.
The accumulating in tunnels mountain waters have a different high content of dissolved water constituents. These predominantly inorganic water constituents often cause hard deposits. Upon entry of these ground and mountain waters into drainage systems, the physical conditions change such that the originally dissolved water contents form hard, firmly adhering deposits which may be in amorphous or crystalline form.
The deposits consist for the most part of lime (usually <95%) precipitated from the mountain water in combination with insignificant amounts of other ions such as silicon, magnesium, barium, iron and the like. In rare cases, it may come to the accumulation of Eisenocker whose consistency is gel-like and can also lead to blockages of the drainage system. The deposits arise on the one hand by the pressure drop of the mountain water when flowing to the building and in the drainage system and on the other hand by the pH increase of the mountain water in contact with today's building materials such as cement injections, concrete and the like.
In addition, there are other subordinate parameters that influence the formation of deposits, such as the temperature or the mixture of different waters.
To clarify the general problem, the reader should refer to the publication of M.C. Wegmüller: "Influences of mountain water on civil engineering / tunneling", Stäubli AG, Zurich 2001, ISBN 3 7266 0052 3 fall back.
Regardless of their type of education, these hard, firmly adhering deposits reduce the outflow cross sections of the drainage systems or close them completely in extreme cases. As a result, the accumulating amounts of water can no longer flow freely, and there are backlogs that can cause great damage. These deposits reduce the efficiency of the drainage system.
In parts of the primary drainage system, the deposits reduce or destroy the drainage function. Since the primary part of the drainage system is not freely accessible, the deposits that occur there must be removed with costly and expensive refurbishment work in order to ensure the proper functioning of the drainage system.
In the secondary part of the drainage system, regular and costly maintenance work to remove limescale at intervals of 6 months to 2 years is the rule.
The damage that can be caused by the formation of deposits in building drainage systems, ranging from unwanted water infiltration into the building interior to high water pressures on the building shell, ice on roads, wetting in the vault, associated with the risk of electrical short circuits in railway tunnels and the like. In addition, the direct contact with water generally reduces the durability of the structures.
Especially for those structures whose stability depends on the proper functioning of the drainage system, deposits can have fatal consequences.
The currently most common methods for removing these deposits are: the electromechanical cleaning with special tools such as canal television connected to robotics, as well as high pressure rinsing or high pressure milling with water. These procedures are costly, labor intensive and often lead to undesirable business interruptions.
If this work, for structural reasons, not possible or do not achieve the desired result, the functionality can usually be restored only with enormously complex renovation work.
The objective task for the present invention can therefore be described as follows: A possibility is sought to protect the primary and / or the secondary drainage system before the formation of hard deposits. The protection should be permanent, i. be possible throughout the life of the structure. The protection should be partially usable, i. Zones without deposits should, for reasons of cost and environmental reasons, be excluded from the scope of protection.
For reasons of cost and ecological reasons, the protection should be possible for a limited time, ie both the beginning and the end of the protective measures must be freely selectable. The protection options must be in accordance with the ever-increasing maintenance requirements, such as the Neat structures, cost-effective, easy to maintain, environmentally friendly, very robust and in the shortest possible time. Especially the time factor is the limiting factor for such expensive structures, because one day of disruption of the Gotthard Base Tunnel destroys investment monies of 1 million Swiss francs.
A conventional maintenance of the drainage system is therefore, for such structures, out of the question.
The application of such a method would be universal, since there are problems around the world with deposits in tunnel drainage systems. The cost of refurbishing the buildings concerned is almost always over one million euros and can reach up to over 100 million euros, such as the Burnley Tunnel in Melbourne, Australia (opening in 2000;
Renovation 2000-2006).
In recent years, a number of methods and products have been developed to reduce or eliminate the formation of deposits in tunnel drainage systems.
From WO-A-94/19 288 a method for preventing deposits in a building drainage system is known, which is characterized in that the discharged leachate or groundwater, a conditioning agent is added in liquid form, wherein the conditioning agent is a stabilizing agent for hardness and a dispersant contains. The application of the method is limited to the secondary drainage system. Solutions for the primary drainage system are completely missing here.
In the treatment of mountain waters with unaffected pH value, this method has, as a rule, achieved good results. However, if the pH of the mountain water increases in total over 9, or strongly alkaline inflows, with pH values above 10, mix to the dissipated mountain water, the conventional hardness stabilizers and dispersants lose their effect. In many Swiss tunnel structures it is therefore not possible to completely prevent the formation of new hard deposits despite the use of liquid hardness stabilization.
Particular problems of this kind are found, e.g. in the SBB Adler tunnel, the Flüelen bypass, in the A1 Bareggtunnel and many other tunnel structures.
In the publications CH 689 452 A5 and WO 02/16 731 A2 u.a. So-called depot stones (stones) described, which are suitable to prevent deposits in the primary part of the drainage system of a tunnel. These stones contain one or more conditioning agents in solid form and are formed into tablets, blocks or rods by suitable methods and then placed in the drainage system. When the ground or mountain water comes in contact with the stones, they dissolve slowly, releasing the active substance and protecting all subsequent parts of the drainage system from the formation of hard deposits.
These depository stones are often used during the construction of the structure to protect the primary drainage system. During this period, regular maintenance work can be difficult or impossible, which is why the builders and planners often decide to incorporate the stones in the seepage packs of the drainage pipes and thereby absorb the particularly intense deposits during construction, as a result of pH shift. Some examples of executed structures include both AlpTransit tunnels, Bareggtunnel A1, Klosters bypass, Flims bypass and many more. Since the stones consist of the same active substances that are used for the liquid hardness stabilization, they also lose some of their effect at high pH values.
In addition, the stones can not be refilled when they are used up.
For a few years now, a new system, the so-called recirculation system, is offered, which makes it possible to return a portion of the conditioned mountain water from the secondary drainage system into the primary drainage system. In the recirculation system, the mountain water of the secondary drainage system is partially or fully conditioned. This already conditioned mountain water is now removed with a pump from a shaft and returns it with a hose in the primary drainage system. For this to be possible at all, the hose lines must be routed into the drainage pipes of the drainage pipes during the construction of the tunnel.
The conditioned mountain water from the secondary part of the drainage system now enters the primary part of the drainage system via small openings in the hose lines. Now the already conditioned mountain water mixes with the new, fresh, precipitating mountain water of the primary drainage system, preventing the formation of early deposits. This achieves, for example, that the formation of deposits even earlier, that is, outside the drainage pipes, already in the trickle packs, is prevented. The combination of depository piles during the construction period and this return system, from the commissioning of the structure, has proven to be attractive to builders and planners.
The exact operation and the details of the execution of the system can be found in the Swiss patent application 58/04.
These three above-mentioned methods, the conditioning of the secondary EWS with liquid active ingredients, the use of depot stones and the return system have one thing in common. After almost 15 years of practical use, all these procedures usually use almost the same active ingredients. Proven in practice, not the complexing agents such as EDTA, NTA and the like, but substances with the greatest threshold effect compared to calcium carbonate, such as polyaspartic acid, which has a very high environmental impact and at the same time a good economy.
In Switzerland, polycarboxylic acids, polyaspartic acid and polysuccinimide are currently in use as polyaspartic acid precursors.
So far, it was assumed that these substances have a high activity in the stoichiometric range and therefore must be added in very small amounts. In WO 94/19288 a comparative experiment is listed, after which the addition of 6-8 g of polycarboxylic acid (Nalco 77320 formerly Nalco 7311 Plus) to 1 m <3> Mountain water could prevent the precipitation of 2 dH lime. The results and conclusions were correct at that time, but perhaps somewhat optimistic, as it has been shown in recent years that the dosage of the active ingredients, in particular in buildings with pH increase of the mountain water, usually comes much higher.
In addition, it is noted that, as a result of the introduction of the new European standard regulations, the influence on the pH of mountain waters has also increased considerably in Switzerland. In the past 5-8 years, the number of new construction tunnels with strong, cement-based deposits has increased significantly. We suspect that the recently allowed addition of free lime to the cement is responsible for this. Another serious disadvantage of the substances used is their property to accumulate on the dissolved in the mountain water fine particles. These fine particles come from the surrounding rocks and are washed out of the building together with the mountain water. Due to the addition of the hardness stabilizers to these particles, unfortunately, many active substances are often lost unused.
In addition, the industrially manufactured hardness stabilizers have the property of remaining active for a relatively long time, which consequently costs biodegradability. Basically, the polyaspartic acid used in many places offers the best ecological properties, but also it has a high content of nitrogen, which is actually undesirable.
Now, it has been discovered completely surprisingly that the conditioning agent is an active substance with completely different properties is ideal for protecting the drainage systems from the formation of deposits. It is the lactic acid or 2-hydroxypropanoic acid (IUPAC), which occurs in 2 forms, as L (+) - lactic acid and as D (-) - lactic acid.
For use in building drainage systems, the L (+) form is particularly suitable.
Lactic acid is an organic substance from nature used in the preservation of foods (e.g., dairy products and vegetables) for quite some time. Lactic acid is mainly produced by fermentation, that is, it is produced as a product in certain bacterial cultures. Depending on the type of conversion of glucose (homo- or heterofermentative), lactic acid is produced with and without accompanying other fermentation products. It is a clear, syrupy, odorless and pleasantly sour-tasting liquid that is readily soluble in water. The dextrorotatory L (+) - lactic acid occurs in the blood, in the muscles and in the organs of animals and humans.
As a starting material for the fermentation can be used in principle any low-cost sugar as a hydrocarbon source. The choice of this source depends only on the bacterial strain used. Preferably, sugars derived from agricultural by-products or "wastes" of the food industry, such as glucose, maltose, dextrose from corn or potato starch, sucrose from sugar cane or beets, lactose from whey are used.
In order to test the effectiveness of lactic acid as a conditioning agent over the previously used drugs, some experiments were performed. As a first experiment mineralized mountain water was evaporated:
In an Erlenmeier, 1 l of strongly mineralized mountain water (type: Valser water without carbonic acid) was mixed with 20 ppm of polyaspartic acid (42% solution) and evaporated.
The result was a milky solution (1 dl) with little hard lime deposits on the glass walls. Thereafter, the same amount of Valserwasser with 20 ppm of lactic acid (92%, as a solution) was added and evaporated to 1 dl. The result was a clear liquid with the same amount of calcium deposits on the glass walls as in the case of polyaspartic acid, which were easier to remove. Without the addition of an active ingredient, much more lime applied, which was very difficult to remove. Lactic acid was superior to polyaspartic acid in this experiment.
Both substances were added in the commercial form.
As a second experiment, the pH of mineralized mountain water was shifted up until precipitation of lime crystals occurred.
In an Erlenmeier again 1l Valserwasser with 20 ppm polyaspartic acid (42% solution) was added. Thereafter, 1 normal sodium hydroxide solution was added dropwise. After the addition of 10 drops, the mineral water became cloudy, without the crystals were visible. After 15 drops, the crystals became visible and could not be redissolved even by prolonged stirring. The same experiment with 20 ppm lactic acid (100%) showed that even the addition of 15 drops of sodium hydroxide solution only caused a slight haze but still no visible crystals.
Without active ingredient, the mineral water became milky due to the addition of 10 drops of sodium hydroxide solution and large, flat calcium crystals formed. In this experiment, the lactic acid of polyaspartic acid was far superior, and it can be concluded that in practice, in similar cases (increase in pH by the building materials), by the addition of equal amounts of lactic acid (in the commercial form, as 92% solution) instead of polyaspartic acid (in the commercial form 42% solution) to the mountain water, in the future only little or no lime sludge should be deposited in the drainage system.
The third experiment was carried out in practice in the Eagle Tunnel SBB. A hardness stabilization system has been in operation in the eagle tunnel for about 10 years.
The system doses there by pump polyaspartic acid (42% solution) to the mountain water in the area of the tunnel south portal. The mountain water flows continuously, from the highest point of the tunnel (south portal), to the north and leaves the tunnel after about 5 km at the north portal of the Tagbautunnel. The metering point was chosen so that it can be used by taking advantage of the flow of water, preferably at the beginning, i. At the highest point of the drainage system, there is still a constant water flow, even during dry periods. The metering point is therefore about 200 meters north of the south portal.
After another 100 meters, ie 300 meters north of the south portal, very strong alkaline mountain water flows from the surrounding rock (jetting zone) to the mountain water of the main drainage (Rigole) and causes there, as a result of the pH increase, very strong calcification in the trench, the only after about another 300 meters decay (ie to 600 meters north of the south portal). So far, an amount of 100 liters of polyaspartic acid (42% active ingredient) per month was added to the mountain water. This largely prevented the formation of deposits in this area. Nevertheless, in this interval, at an interval of two years, the newly formed lime mud and the new hard lime had to be regularly removed and transported away.
The cost of such cleaning amounts to around CHF 30,000-40,000 each time.
Now, instead of polyaspartic acid, lactic acid (92% solution) was added in an amount of 100 liters per month. In order to be able to judge the result better, at the same time, with the beginning of the addition of lactic acid, 5 experimental stones in the trench were laid out. The result was impressive.
Already after 7 days it could be observed that in the area of the dosing the old hard lime deposits had disappeared. In the course of the rigging, it was observed that the added lactic acid was clearly buried in the already existing calcium deposits.
Of the 5 control stones that have been baited in the trench, only the northernmost stone shows slight traces of white lime.
After 14 days, the dissolution of the young soft limestone layers was already complete and the old hard lime was not removed despite regular cleaning, came to light. Now the last test stone was free of deposits. This means that the lactic acid has completely removed the easily soluble lime in the area of the dosing point and now enough lactic acid is available even with the last test stone. The lactic acid, so to speak, paves the way through the old deposits.
This means a very incredible progress compared to the previous solution. The length of the sintering area could be reduced from 300 meters to 0 meters.
The previous width of the annual deposits was at the worst point about 30 cm, with a thickness of 10 cm.
In the subsequent part of the tunnel, no further noteworthy, newly formed deposits could be encountered. The number, type and extent of the bacteria present in the trigole, which feed on the dosed products, may be slightly increased by the use of lactic acid. While polyaspartic acid was more likely to be found in red to brown bacterial threads, the population now turns its color from white to yellowish through the use of lactic acid. The threads were now small soft lumps. The area in which these bacteria are found has grown rather larger and now extends to around 200 meters in length.
After that, that means with increasing dilution of the mountain water, the bacteria disappear again. The proportion of the active substance, which is degraded by the bacteria and thus removed from the actual destination, amounts to less than 5%. This has been repeatedly confirmed in a large number of experiments in recent years. The determining factors for the rate of degradation of a substance by bacteria are: the concentration of the substance in the water, the residence time of the substance in the sphere of action of the bacteria and the number of bacteria involved in the degradation. In most cases, the residence time of the substance, within the range of action of the bacteria, in a tunnel is only a few minutes, so that this factor determines the extent of the degradation.
In almost all cases, the bacteria disappear in the mountain water when the concentrations of the substances fall below about 25-100 ppm. The bacteria can reach only a certain layer thickness, otherwise the bacteria lying in the middle die off and also disappear, with a change of the water flow in the Riogle, all bacteria, which come to lie in dry zones.
The solution of the problem and thus the subject of the present invention is therefore a method for the conditioning of mountain waters in a tunnel drainage system with a conditioning agent, which is characterized
that the conditioning agent contains an effective content of lactic acid.
By adding a conditioning agent based on lactic acid to the mountain water to be treated in the tunnel drainage system, the growth of the crystal nuclei can be effectively prevented. At the same time, the formation of hard deposits becomes impossible. In addition, these conditioning agents are able to dissolve already existing deposits.
The lactic acid may be used individually or in admixture with other conditioning agents.
Conditioning agents for aqueous systems are referred to differently because of their mode of action, e.g. as dispersants, hardness stabilizers and protective colloids.
These also include sequestering agents (complexing agents) and possibly also other surfactants (surfactants) and biocides. Especially important are hardness stabilizers, i. Compounds which are suitable for stabilizing the hardness formers in drainage systems, wherein they deactivate crystal growth and usually have surface charge-changing properties, and also dispersants (dispersants).
Dispersants are surface charge modifying compounds which disperse undissolved particulate matter in the water, even in the colloidal area, i. keep it well distributed.
Lactic acid-based conditioning agents according to the invention are added to the mountain water as a function of the particular composition of the mountain water.
Hardness stabilizers and dispersants often overlap in their effect. Therefore, conditioning agents, preferably also combinations with hardness stabilizers or dispersants are used, which usually results in a higher efficiency compared to the separate use.
Conditioning agents may also contain other suitable additives, but it must always be decisive for the treatment of the drainage or groundwater to be discharged that the use of a specific conditioning agent or conditioning agent mixture achieves an environmentally sound prevention of sintering.
Optionally, in addition to lactic acid in the conditioning agent further hardness stabilizers can be used in the inventive process.
As additional hardness stabilizers, compounds of the series inorganic condensed phosphates, such as alkali di-, tri- and polyphosphates, organic phosphorus compounds or organophosphonic acids, such as 2-methyl-propanephosphonsäure, Hydroxyethylidendiphosphonsäure, Aminomethylenphosphonsäuren, N-containing phosphonates, Aminophosphonate, Aminoalkylenphosphonsäuren such as Aminotri (methylenephosphonic acid) or diethylenetriamino-penta (methylenephosphonic acid), poly (aminomethylene-phosphonates), or hydroxyethylethylene (di (aminomethylene) -phosphonic acid), furthermore phosphonocarboxylic acids, eg
Phosphonobutane tricarboxylic acid, phosphate esters, polyphosphoric esters, aminophosphates, succinamide, carbohydrates, polysaccharides, gluconates, polyglycosides, polyglucosides and their derivatives, polyoxycarboxylic acids and their copolymers, oxidized carbohydrates, such as oxidized cellulose, starch or dextrin, proteins and other protein products, water-soluble polyamino acids, for example Polyaspartic acid, silicates, such as alkali silicates, water glass or zeolites are used.
The water-soluble salts of the listed acids are also suitable, preferably the sodium salts.
Suitable dispersants for the process of the invention based on lactic acid for the conditioning of mountain water in tunneling systems are, inter alia: tannin derivatives, such as sulfited tannins, lignosulfonates, sulfonated condensation products of naphthalene with formaldehyde, anionic polyelectrolytes, e.g. Acrylate-based polymers, such as polyacrylates, polymethacrylates, polyacrylamides and copolymers of acrylic acid or
Methacrylic acid and acrylamide, further P-containing polymeric compounds such as N-phosphomethyl macrocyclic polyethers or phosphonomethylierte oxyalkyleneamines and phosphinic acid-containing homo- and copolymers of acrylic acid and acrylamide and oligomeric phosphinico-succinic acid compounds (as described in US-A 4,088 678). Further suitable are polymers having N-substituted amide functions, e.g. sulfomethylated or sulfoethylated polyacrylamides and polymethacrylamides and copolymers or terpolymers with acrylic acid and maleic acid esters, N-butylacrylamide and its copolymers and acrylamidopropionic acid as salt and copolymers thereof, furthermore phosphinoalkylated acrylamide polymers and copolymers with acrylic acid, copolymers of alkenes with unsaturated dicarboxylic acids, and polymers and copolymers the base of maleic acid.
Water-soluble salts of corresponding acids are also suitable.
Furthermore, sequestering agents can be added to the inventive method based on the lactic acid for conditioning of mountain water in tunnel drainage systems.
Suitable complexing agents in the context of the present invention are, inter alia, iminodisuccinate (IDS), nitrilotriacetic acid, citric acid, ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), ether carboxylates or oxidized carbohydrates, for example partially hydrolyzed and oxidized starch or dextrin.
Furthermore, phosphorus-containing complexing agents such as e.g. Condensed phosphates and phosphonates suitable, if they are not already used in their function as hardness stabilizers.
As already described above, biocides can be added to the inventive process based on lactic acid for conditioning mountain water in tunnel drainage systems to curb the growth of microorganisms. In principle, all biocides to be used in accordance with national regulations on the cleanliness of waters are suitable for this purpose.
Preferred biocides for the purposes of the present invention are phthalimidoperoxohexanoic acid, dibenzoperoxide, chlorobrominedimethylhydantoin or further organic peroxides.
The application of the inventive method based on the lactic acid for the conditioning of mountain water in tunnel drainage systems can be done in the usual form such as by means of liquid addition via a metering and metering or with depot stones or with the help of the return system.
In the first place, of course, is the addition of the lactic acid-based conditioning agent in liquid form by means of dosing and dosing to the mountain water of the tunnel drainage system. The use concentrations range from 0.5 to 50,000 ppm.
The high concentration fluctuations result from the fact that usually only one metering per building is used and therefore so much drug must be added at the metering that even at the tunnel portal a sufficient effect is achieved. A reasonable range of action of the lactic acid-based conditioner should be in the range of 1 to 100 ppm at the end of the tunneling system at the tunnel portal. The natural gradient of the tunnel is exploited.
In this case, a mixture of lactic acid and polyaspartic acid may be used as the conditioning agent, since a synergistic effect is observed there.
This is preferably a mixture of 1-10, preferably 3-1, volume proportions of a substantially 80-95% aqueous solution of lactic acid and 10-1, preferably 3-1, volume proportions of a substantially 30-50% aqueous solution of polyaspartic acid. Preferably, only L (+) lactic acid is used.
In second place is the addition of the lactic acid-based conditioner by means of depot stones. The pressing of the preferably dry crystalline or amorphous lactic acid in so-called depot stones or tablets is optionally carried out by means of various auxiliaries. Particularly suitable auxiliaries for the purposes of the present invention are fatty acids, in particular stearic acid, palmitic acid or lauric acid.
A major advantage is the relatively high melting point of lactic acid and the fact that the lactic acid occurs at normal temperature as a pure powder. Particularly suitable are depot stones, which contain an effective proportion of polysuccinimide in addition to an effective amount of lactic acid.
Thus, the invention also relates to a depot stone for introducing a conditioning agent in the primary (and / or possibly secondary, but this subordinate) Bauwerkentwässerungssystem in solid form, which is characterized in that the conditioning agent has an effective content of solid (crystalline / amorphous) contains lactic acid.
The lactic acid may be present as L (+) lactic acid, preferably either substantially alone or in admixture with polyaspartic acid.
In particular, when using the recirculation system, but also the other two uses, the lactic acid, compared to the conditioning agents used previously, the great advantage that it is also able to dissolve existing deposits in no time and thus dysfunctional drainage systems to repair without time-consuming renovation work. At the same time, of course, the formation of new deposits in the primary and secondary drainage system is prevented.