Brunnenregenerierung mit hochenergetischem Ultraschall

Wirkungsmechanismen des Ultraschalls bei der Brunnenregenrierung

Vorbemerkung:
Es gibt eine nahezu unübersehbare Palette von Anwendungen des Ultraschalls in technischen, wissenschaftlichen, medizinischen und industriellen Be- reichen. Ebenso vielseitig ist die technische Ausgestaltung der Geräte, je nachdem welche physikalischen, chemischen, thermischen oder mechanischen Effekte des Ultraschalls genutzt werden sollen.

Es gibt zahlreiche Anwendungen von hochenergetischem Ultraschall in der Geologie, so zum Beispiel:

  • In der Erdbodenanalyse hat man festgestellt, dass mit Ultraschall im Boden enthaltene Kolloide innerhalb weniger Minuten zu Flüssigkeiten dispergieren. Wurden die gleichen Kolloide durch Schütteln und Schleudern behandelt, so hatte man nicht annähernd den Effekt wie bei der Ultraschallbehandlung.
  • Beim Aufschließen von Erz wurde festgestellt, dass Rohgut, welches von Eisenmanganerz eingeschlossen war, durch eine 5 minütige Ultraschallbe- handlung sofort aufgeschlossen werden konnte, während andere Mittel versagten.
  • Tonhaltige Gesteine wurden beschallt, um den Ton zu extrahieren. Ultraschall brachte hier eine 100 bis 1000-fach größere Ausbeute als mechanische Verfahren.

Zur Physik des Schalls
Physikalisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen hörbarem Schall und Ultraschall. Daher kann im diesem Zusammenhang einfach von Schall gesprochen werden. Schall stellt eine ständige Abfolge von Über- und Unterdruck in einem Medium dar. Die Stellen der Kompression (Überdruck) und die Stellen der Dekompression (Unterdruck) sind aber nicht stationär. Sie bewegen sich gleichmäßig radial von der Schallquelle weg. Durch Dämpfungseffekte werden die Über- bzw. Unterdrücke mit wachsendem Abstand von der Schallquelle geringer. Die Schallquelle stellt eine Energiequelle dar
 Schall braucht zu seiner Ausbreitung ein Medium, im Vakuum ist keine Schallausbreitung möglich. Es gibt Stoffe, die den Schall sehr gut leiten und es gibt Stoffe, die den Schall adsorbieren und damit dämpfen.

Die obige Abbildung zeigt, dass beim Schall-Transport kein Material transportiert wird. Es wechseln sich lediglich in schneller Abfolge (die Abfolge entspricht der Frequenz, in unserem Fall also 20.000 mal je Sekunde) Zonen erhöhten und Zonen niedrigen Druckes ab. Bewegungen spielen sich vielmehr im Mikrobereich ab: In der Phase erhöhten Druckes werden die Kristallgitter „gestaucht“, in der Phase niedrigen Druckes werden die Kristallgitter „gedehnt“. Diese Stauchungen und Dehnungen finden an allen Stellen des vom Schall erfassten Körpers statt und führen dazu, dass alle Moleküle innerhalb des Kristallgitters mit der Frequenz des zu transportierenden Schalls um eine Ruhelage schwingen. Dies gilt auch für Moleküle, die sich am äußersten Rand eines Körpers befinden, z.B. an der Oberfläche eines Filterkieses. Auf diese Weise wird der Kies zu einer Vibration angeregt.

Die Situation im Brunnen

Im Fall der Brunnenregegenerierung haben wir es mit folgenden schallleitenden Medien zu tun:  Vor dem Filter

 

Der Filter

Hinter dem Filter

  • Wasser
 
  • PVC-Filter
  • Holz-Filter
  • Steinzeugfilter
  • Stahlfilter
 
  • Filterkies (z.B. Quarz)
  • Beläge aus Eisen, Mangan, Calcium etc.
  • Schleime, gallertartige Ablagerungen
  • Wasser

 Stahl, PVC, Holz oder Steinzeug und auch Wasser sind sehr gute bis gute Schall-Leiter. Luft ist ein eher schlechter Schall-Leiter.

Auch Quarz ist ein hervorragender Schall-Leiter. Schallfeldmessungen haben ergeben, dass offensichtlich die Kette der Schall-Leiter, nämlich Wasser – Filtermaterial – Quarzkies für Schall sehr gut durchlässig ist.

Im Brunnen durchläuft der Schall zunächst das Wasser innerhalb des Brunnenschachtes, trifft dann auf den Filter und erreicht dann den Filterkies.

 

Die gute Durchdringung des Filterkieses mit Schallenergie wurde durch Schallfeldmessungen nachgewiesen.

 Brunnenregenerierung mit hochenergetischem Ultraschall

Im Laufe der Betriebszeit von Förderbrunnen füllen sich in den Porenräumen der Kiespackung zunächst die Zwickelräume zwischen den Kieskörnern mit Ablagerungen aus, ohne dass damit zunächst eine merkliche Minderung der Ergiebigkeit verbunden ist.

Jetzt wäre der richtige Zeitpunkt für eine Regenerierung – im Sinne der Brunnenpflege – die oft mit geringem Aufwand und meist kostengünstig durchzuführen ist.

Erst wenn sich auch die Porenkanäle zusetzen wächst der hydraulische Widerstand der Kiesschüttung stark an, mit der Folge, dass die Ergiebigkeit des Brunnens spürbar abnimmt.

Bereits bei einem Leistungsrückgang von 10 bis 20% ist ein gesteigertes Alterungsstadium des Brunnens er- reicht und die Regenerierung  erfordert einen höheren technischen Aufwand. Je früher eine Regenerierung durch- geführt wird, desto größer ist ihr Erfolg.

Die Leistungsminderung eines Brunnens kann durch Aufwüchse und Ablagerungen in den Filterschlitzen und in den Porenräumen der Kiesschüttung verursacht werden. Das alleinige Entfernen der Ablagerungen an der Innenrohrwandung und in den Filterschlitzen führt jedoch in den seltensten Fällen zum gewünschten Erfolg. Insbesondere die Ablagerungen in den Porenräumen der Filterkiesschüttung führen zu einer deutlichen Minderung der Ergiebigkeit, doch hier fehlt – vor allem mit zunehmendem Abstand vom Filterrohr - die mechanische Zugangsmöglichkeit.

Mit dem Ultraschall-Verfahren auf der Basis hochenergetischen Ultraschalls wird der Filterkies von leistungsmindernden Ablagerungen hochwirksam befreit, denn Ultraschall dringt nahezu ungehindert in diesen Bereich vor. Die Wirkung erstreckt sich deshalb auch auf verstopfte Porenkanäle und Porenräume bis weit in die Filterkiespackung hinein. Das Filtermaterial hat keinen Einfluss auf die Wirkung.

Die Ultraschall-Methode bedeutet:

  • einen hohen Reinigungseffekt im Kiesmantel
  • eine absolut umweltschonende Regenerierung – ohne chemische Zusätze
  • keine Einholung einer wasserrechtlichen Genehmigung
  • keinerlei mechanische Belastung für das Brunnenbauwerk
  • Nachhaltigkeit - die Intervalle zwischen den Regenerierungen werden länger
  • kurze Regenerierungszeit – der Brunnen kann wieder schnell an das Netz und den Förderbetrieb wieder aufnehmen.

Anwendbarkeit bei allen Filtertypen und Filtermaterialien bzw. einsetzbar bei Rohrdurchmesser ab DN 150 bis zu einer Teufe von 250 Meter.

Seit Jahrzehnten wird Ultraschall sehr erfolgreich als Alternative zu chemischen Reinigungsbädern in Industrie, Handwerk, Medizin und Wissenschaft eingesetzt. Insbesondere wenn es darauf ankommt, an schwer zugänglichen Stellen zu reinigen oder wenn es sich um besonders empfindliche Teile handelt.

Die hervorragende Wirksamkeit und Nachhaltigkeit des Verfahrens wurde in vielen Jahren der Praxis sowie in einer umfangreichen unabhängigen wissenschaftlichen Forschungsarbeit (finanziert von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt) eindeutig nachgewiesen. Zwischenzeitlich ist das System auch weltweit im Einsatz.

Die Reinigungswirkung des Ultraschalls beruht auf der hohen abgegebenen Schallenergie, die unmittelbar an den Filterkies im Ringraum abgegeben wird. Dies führt zu einer Mikro-Vibration der Kieskörner (vergleichbar mit dem Klirren von Glasscheiben) und damit zu einem Abrieb der anhaftenden Beläge. Durch Materialspannungen zwischen Kieskorn und Belag werden harte Beläge „abgesprengt“ (vergleichbar mit dem Abplatzen von Putz von der Decke).

Gel-artige Ablagerungen, hervorgerufen durch bakterielle Aktivitäten, die ebenfalls zu Leistungsminderungen führen, werden durch Ultraschall verflüssigt und können damit ausgespült bzw. abgepumpt werden

Die Wirkung des Schalls ist nicht an freie Kanäle gebunden. Wasser, Filtermaterial und Kies leiten den Schall. Bei Tests wurde verschmutzter Filterkies in geschlossenen Probengläsern beschallt, mit hervorragender Wirkung. Damit unterscheidet sich das Ultraschallverfahren wesentlich von allen anderen Verfahren.

Dipl.-Ing. (FH) Martin Knobbe
BPK Brunnen- und Pumpen Service
Schalker Straße 44
D 45327 Essen
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Mit dem Ultrschall-Verfahren auf der Basis hochenergetischen Ultraschalls wird der Filterkies, mechanisch, von leistungsmindernden Ablagerungen hochwirksam befreit, denn Ultraschall dringt nahezu ungehindert in diesen Bereich vor. Die Wirkung erstreckt sich deshalb auch auf verstopfte Porenkanäle und Porenräume bis weit in die Filterkiespackung hinein. Das Filtermaterial hat keinen Einfluss auf die Wirkung.