V13: Natural Attenuation

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1 V13: Natural Attenuation

2 1. Definitionen, Prozesse 2. Lines of Evidence (LOE) 3. LOE 1: Monitoring 4. LOE 2: Laborexperimente 5. LOE 3: Modellierung (BIOSREEN)

3 1. Definitionen, Prozesse

4 Definition: Natural Attenuation (NA) Alle natürlichen Prozesse im Grundwasser, die zu einer messbaren (!) Abnahme der Schadstoffkonzentration führen (1) Dispersion Verdünnung (2) Sorption Rückhalt bzw. temporäre des Schadstoffs (3) Biologischer Abbau (4) Chemische Umwandlung Fixierung

5 Prozess-Charakteristik Disperison: Schadstoffmasse bleibt im Aquifer (-) Sorption: Schadstoff ist aus wässriger Phase beseitigt (+) reversible Adsorption Mobilisierung möglich (-) irreversible Adsorption chemische Umwandlung Fixierung (+)

6 Prozess-Charakteristik Biologischer Abbau (intrinsic Bioremediation): Schadstoffmasse wird entfernt (+), toxische Metaboliten (Reaktionsprodukte) (-) Biodegradation Capacity! Chemische Umwandlung: Schadstoffmasse wird entfernt (+), reversible Gleichgewichte mit Minerale ph-wert-abhängig (-)

7 Übersicht: in-situ Bioremediation (= BR) 1. Techn.-gesteuerte BR 2. Ausnutzen von intrins. Prozessen = Engin. BR = Enhanced BR = Intrinsic BR = Monitored Natural Attenuation (NA) 3. Phyotoremediation Injektion von EA s, ED s + Nährstoffen Vorlesung: NA Flüssigphasen- Injektion O 2, H 2 in gelöster Form H 2 O 2 -Injektion, Injectionsbrunnen Gasphasen- Injektion Bioventing (unges. Zone) Biosparging (ges. Zone) O 2, H 2 im gasförmigen Zustand Über Injectionsbrunnen Injektion über Festphasen Reaktive Wände ORC s, HRC s

8 Stationäre Schadstofffahnen

9 Stationäre (= steady-state) Schadstofffahnen: Indikator für NA-Prozesse M TCE / t L stat Obwohl von links ständig Schadstoff-Masse hinzukommt, bleibt Schadstoff-Masse konstant (Rote Fläche), d.h. die Masse M TCE wird während der Zeit t abgebaut bzw. adsorbiert.

10 Length of Pollution Plumes Reached or Undercut by 75% of Published Cases (N) (G. Teutsch, P. Grathwohl, 1997) Centre for Environmental Research Leipzig-Halle Ltd. Chlorohydrocarbons N=107 Phenoles N=18 Properies of Contaminants Benzene BTEX N=27 N=96 relatively high water solubility, low retardation, slow degradation relatively high water solubility, low retardation, fast degradation PAHs?? 5-Ring 2-Ring 3-Ring Solubility in water, retardation and degradation span several orders of magnitude - only few reliable field-data Plume length [m]

11 Reine Advektion: C t PCE u R PCE C x PCE k R PCE PCE C PCE Steady-state-Lösung: C PCE ( x) C PCE ( x 0) exp k u PCE x C(x,t) Konzentration (mg/l), k Abbaurate (1/Tag), u Abstandsgeschwindigkeit (m/tag) EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA 25 Bioremediation!) Klausuraufgabe: Berechnen Sie die Länge einer stationäre Benzenfahne, die als Fahnentyp III klassifiziert wurde? u = 0.1m/d, Cmax = 1750 mg/l, k = 0.1 1/day

12 2. Lines of Evidence: NA-Protokoll

13 3. LOE 1: Monitoring

14 NA - Feldexperiment mit Gelöst-Benzin (BTEX + MTBE) Borden (Canada) Sampling area 1995 / 96 Monitoring area 1988 / 89 Source Day 476 Benzene MTBE (100 µg/l contour line) Aquitard Year 8 (1 µg/l contour line) MTBE Scale (m) 0 m 4 m 8 m 12 m

15 Eingabe von 3 x 2000 Liter mit Benzin kontaminiertes Grundwasser in ein natürliches Strömungsfeld Monitoring Brunnen mit 14 Probenahmepunkte

16 Monitoring Netzwerk in ein natürliches Strömungsfeld Beispiel: Benzen-Verteilung nach 42 Tagen 1,0 mg/l 0,1 mg/l

17 Distance in m Distance in m Borden - Field experiment Benzene / MTBE 0 10 Distance in m Benzene 476 Days MTBE 20 Chloride 0 10 Injection area Distance in m Chloride 476 Days 20

18 Comparison of Benzene- and MTBE-mass reduction Benzene mass (g) Benzene MTBE MTBE mass (g) Days after injection Methanol after 42 days fully degraded!

19 4. LOE 2: Laborexperimente

20 Bestimmung der kinetischen Abbauparameter In-situ Microkosmos-Untersuchungen Batch- und Säulenexperimente

21 Micro-Skala Bestimmung der Anfangs- und Endkonzentrationen der Mikroorganismen Anteil der aktiven Abbau-Population in Bezug zur Gesamtpopulation

22 Batch-Experimente mit unterschiedlichen Anfangskonzentrationen

23 Monod-Parameter aus Batch-Experimenten Monod-Parameter: k max = 1.56 d -1 / K S = 10.0 mg/l / K I = 1 g/l 5 20 mg/l 0 Benzen mg/l 0 Benzen 10 mg/l 0 Benzen Zeit (Tage) 40 mg/l Benzen Zeit (Tage) 8

24 5. LOE 3: Modellierung

25 ? Frage: Warum ist kinetische Beschreibung notwendig? Sind nicht Gleichgewichtsmodelle ausreichend? Wichtiges Kinetisches Modell zur Beschreibung der NA-Prozesse: Double Monod Kinetik

26 Ablaufplan: Modellíerung 1. Modellierung der Laborexperimente liefern konzeptionelle Prozessmodelle und kinetische Parameter 2. Validiertes Prozess-Modell ist Grundlage zur Modellierung der Feldexperimente (BIOSCREEN, BIOPLUME, MODFLOW-RT3D) 3. Prognose

27 Modellierung des Borden- Feldexperimentes Berühmte Professoren: Ed Sudicky, PhD Grundlagen für stochastische Hydrogeolgie Bob Gillham Entdecker der Fe(0)-Reaktionswände

28 NA-Software BIOSCREEN

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33 Klausurvorbereitung: Uhr Uhr - keine Hilfsmittel außer Taschenrechner! Hinweise zum Lernen: 1. Sanierungsphasen 2. Relevante Prozesse in Abhängigkeit vom Chlorierungsgrad (Adsoprtion, Löslichkeit, aerober Abbau) 3. Risikoanalyse 4. Pump and Treat: Capture zone concept, Einfangparameter P als Funktion von Q B, k f, b, i aus hydraul. Kriterium 5. Charakterisierung und Klassifizierung von Bioremediation-Technologien 6. Hydraulisches- und Massenbilanz-Kriterium 7. Reaktive Wände: Funktion, Vor- und Nachteile, Reaktionen 8. Reaktive Gaswände 9. Charakterisierung von NA-Prozessen, NA-LOE s, NA-Potenzial (= BC)

34 Formeln, Gleichungen und physik. Gesetze zur Klausur 1. Transport Quelle-Rezeptor ÜA1 mit Lsg. alle Formeln! 2. Masseverteilung in verschiedenen Phasen (Gleichgewichtsverteilung) ÜA 2-5 alle Formeln 3. Zeitskalen 3.1. P&T ÜA 24 Capture zone-konzept 3.2. Bioremediation ÜA 12, 13, 14 (ideales Gasgesetz: p O2 V g =N O2 RT) 4. Dimensionierung von RWs 4.1. Hydraulisches Kriterium Q Aqu = Q RW (Gleichheitszeichen!) 4.2. Massenbilanz-Kriterium M = M 0 M RW (Integral!) steady-state-lösung C(x)=C 0 exp(-k/u*x) siehe Folie V8 Reaktive Wände

35 Massenbilanz-Kriterium (1) C(x) C 0 L RW x k f,aquifer, i Aquifer, Aquifer k f,rw, i RW, RW A 1. Gesamtmasse ohne Abbau: M 0 C 0 V C A W 0 L RW urw 2. Masse in Reaktiver Wand: k M RW C0 A 1 exp LRW k u Abbau M0 3. Abgebaute Masse: RW RW M M

36 Massenbilanz-Kriterium (2) 4. Massenbilanzkriterium der Reaktiven Wand: C ( L RW ) C k C Ziel LRW ln 0 urw CZiel A) L RW und u RW vorgegeben Bestimme k! ÜA 20 B) k und u RW vorgegeben Bestimme L RW! ÜA 16 Beispiel ÜA 20: C ziel /C 0 = 1/100 k u RW LRW ln 5. Welche Zeit t RW ist zur Erreichung von C Ziel notwendig? Bedingung: Halbwertszeiten TCE (= 14 h), VC (= 374 h) << t RW