AGU fall meeting: about participants American Geophysical Union Smart, innovative P&T applications

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1 Pump and Treat (2)

2 AGU fall meeting: about participants American Geophysical Union Smart, innovative P&T applications

3 Chaotic Advection, Fluid Spreading, and Groundwater Contaminant Plumes Roseanna M. Neupauer Dept. of Civil, Environmental, and Architectural Engineering University of Colorado Boulder David C. Mays Dept. of Civil Engineering University of Colorado Denver December 6, 2011 Funded by National Science Foundation

4 Motivation - In situ remediation Plume Treatment Solution Interface How can the treatment solution be spread throughout the contaminated area? image downloaded 5/15/2010

5 Engineered Injection and Extraction: Pump and Treat Assumptions: Two-dimensional Homogeneous Confined Isotropic No storage Treatment Solution Wells L QT nb 2 L Q = injection rate T = time step n = porosity b = thickness L = length scale Contaminated Groundwater Step Well W E W E W E S N S N S N L

6 Spreading of Treatment Solution One Cycle Treatment solution Out = extraction In = injection Length = relative magnitude Active well Original interface

7 Spreading after Multiple Cycles 1 Cycle 2 Cycles 3 Cycles 4 Cycles

8 Spreading after Multiple Cycles 1 Cycle 2 Cycles 3 Cycles 4 Cycles

9 Problem: Heterogenität Für alle in situ Sanierungsmethoden stellt heterogener Aquifer ein Herausforderung dar!

10 Heterogenität am Safira-Standort Zeitz

11 Pump and Treat Simulation: Heterogener Aquifer A) Capture Zone 100m B) Isohypsen-Plan 100m

12 Bevor Sie P&T anwenden können, müssen Sie sich an den Ablaufplan einer Sanierung erinnern!

13 verschiedene PHASEN einer Sanierung 1. Phase: Bestandsaufnahme Historie des Schadens (Verursacher?) Schadstoffe, Quelle? 2. Phase: Untersuchungsphase Sanierungsziele, nationale + europäische Gesetze vorangegangene Untersuchungen Welche zusätzlichen Untersuchungen (Kosten!) sind notwendig? Detaillierte Untersuchungen, chem. Analysen Risikoanalyse: Schutzgüter?

14 ÜA: Lokalisierung einer TCE-Schadensquelle

15 TCE-contaminated site: - 3 wells sampled NW SAFZeitz01/98 SAFZeitz02/98 N SAFZeitz03/98 W O Q: Where you suspect the TCE-source?

16 TCE wird entlang bevorzugter Strohmbahnen (Kies) transportiert! 2. Schicht

17 Wichtig: Grundwasserströmungsrichtung Hydraulisches Dreieck

18 Problematik (2)

19 Clean-Up-Zeit

20 Nächste Frage: Wenn ich Quelle kenne, wie lange muß ich pumpen? Dies bestimmt Betriebskosten! (Operation costs)

21 Best-case-Szenario Menge des kontaminierten Grundwassers bzw. Volumen der Schadstofffahne (Plume) kann abgschätzt werden und ist konstant! Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben (lift): t c V Plume Q i

22 ÜA 21: siehe Domenico & Schwarz D 20.1 und D20.2 ÜA 21 A): Ein Grundwasserleiter (Aquifer) mit einer Mächtigkeit von 16.7 m ist über einer Fläche von m 2 kontaminiert. Es handelt sich um ein mittelsandigen bis kiesiges Lockergesteinssediment, dessen Porosität zu 0.3 abgeschätzt wird. Als Sanierungsmaßnahme wird P&T mit 3 Pumpbrunnen mit je einer Pumprate von 0.13 m 3 /min durchgeführt. Mit welcher Sanierungszeit muß man rechnen? ÜA 21 B): Erschwerend kommt hinzu, dass der Schadstoff an der Feststoffmatrix adsorbiert ist ( s =2.65 kg/l, K d = 0.2 l/kg). Um welchen Faktor verändert sich die Sanierungszeit?

23 Worst-case-Szenario DNAPL-Pool Masse der DNAPL kann abgeschätzt werden Schadstofffahne wird ständig erneuert Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben, ist durch Zahl der notwendigen Porenvolumina (= PV) bestimmt, die zur vollständigen Auflösung notwendig sind: Zeitskala: 100 bis 1000 Jahre t c PV Q i PV = Summe aller Porenvolumina!

24 ÜA6: Wieviel Porenvolumina (PV) müssen über dem TCE-Pool ausgetauscht werden, bis der natürliche Grundwasserstrom den TCE-Pool vollständig aufgelöst hat? Hinweis: TCE-Pool aus ÜA2

25 P&T: Zentrale Fragen

26 1. Wann ist P&T eine geeignete Sanierungsmethode? 2. Was ist eine intelligente P&T-Anwendung ( smart application)? 3. Monitoring 4. Quellenidentifkation über Konzentrationsverläufe 5. Was ist Tailing und Rebound und wie kann man sie abschätzen? ÜA 7-11 (Geometrie des Pools aus ÜA2) Selbststudium!

27 1. Wann ist P&T eine geeignete Sanierungsmethode?

28 Hydraulische Sicherung/Abgrenzung Grundwasser-Hebung mit anschliessender Behandlung

29 Hydraulic Protection um die Bewegung des kontaminierten Grundwasers zu kontrollieren und seine weitere Ausbreitung zu verhindern Folgende 3 Konfigurationen werden in der Praxis verwendet: (1) Pumping wells (2) Pumping wells with drainage (3) Pumping wells with hydraulicimpermeable wall

30 (1) Pumping wells

31 (2) Pumping wells with drainage

32 (3) Pumping wells with hydraulicimpermeable wall Höher Installationskosten, aber geringere Betriebskosten Warum?

33 2. Was ist eine intelligente P&T-Anwendung ( smart application)?

34 Smart P&T (1) 1. wichtige Komponente bei jeder GW-Sanierung, die die P&T-Methode anwendet ist die Schadstoffbeseitigung und dessen Kontrolle 2. effektive smarte GW-Sanierung erfordert ein fundiertes Wissen über die physiko-chemischen Eigenschaften der Schadstoffe und eine sorgfältige Charakterisierung des Sanierungsstandortes 3. der Sanierungsplan sollte von realistischen Sanierungszielen ausgehen und flexibel den fortlaufenden Untersuchungen angepasst werden können dynamisches, prozess-basiertes Standort-Mangagment

35 Smart P&T (2) 4. Bevor P&T: Nachdenken, ob Quellensanierung/beseitigung möglich ist 5. Bei lokalen und bekannten Schadstoffquellen in der Bodenzone (residuale NAPL-Phasen, Fahnentyp 2) Quellenbeseitigung die effektivste Methode. 6. Abdeckung, um Infiltration zu verhindern 7. Bei allen anderen Fahnentypen (1, 3, 4) ist die genaue Lokalisierung der Quelle eher schwierig (Fahnentyp 4, DNAPL-Pool) Why?

36 4. Auflösung einer DNAPL-Phase im Grundwasser Localisation of the DNAPL-source is rather difficult! Why?

37 P&T-Protocol

38 3. Monitoring

39 Geoprobe-Technologie

40 Geological Profil Contaminant-Profil Control-Monitoring

41 Geologisches Profil: EC-Logs Welche Aussagen sind möglich? Tabelle: Sedimenttypen eff. Porosität, hydraulische Leitfähigkeit (= kf-wert) Sedimentproben: Siebkurven Körnungsanalyse (kf-wert nach Hazen und Beyer) schwierig: direkte Korrelation zwischen EC und kf

42 EC-Log-Messreihen

43 Interpolation mit Hilfe von Geostatistik-Programmen

44 Schadstoff-Profil Membrane-Interface-Sensor

45 Membrane-Interface-Sensor (MIP) (i) The downhole, permeable membrane serves as an interface to a detector at the surface. (ii) Volatiles in the subsurface diffuse across the membrane and partition into a stream of carrier gas, where they can be swept to the detector. The membrane is heated so that travel by VOCs across this thin film is almost instantaneous. (iii) MIP acquisition software logs detector signal with depth.

46 Detects volatile contaminants in soil while driven to depth. Heated sensor is driven into the ground using percussion-type probing. Sensor relies on diffusion rather than bulk flow of liquid or gas. Operates both in the vadose zone and in saturated zones. Merke: Eine realistisches heterogenes 3D-Schadtstoffprofil ist ohne MIP-Sensor-Geoprobe nicht möglich! Can be used to detect dissolved hydrocarbons down to 1 ppm. Great tool for the delineation of gasoline spills and plumes. System provides simultaneous log of VOCs and soil conductivity. The MIP is a logging tool and indicates: where the contaminant is encountered at depth. where the contaminant is absent at depth. how the concentration of contaminants compares to the concentration at other locations. where the contaminant occurs in relation to lithology.

47 Multilevel Monitoring is essential for 3D-Plume assessment MIP-Sensor (Stichtagsmessung: t 1 ) CMT - Continous Multichannel Tubing CMT Installation at UFZ-CO 2 -Testsite Wittstock

48 Multilevel Monitoring is essential for 3D-plume assessment Multilevels provide the most reliable, detailed data for accurate 3-D site assessment. Important advantages include: Eliminates contaminant mixing in long screened wells 1. which averages out heads and contaminants, 2. masks narrow zones of contamination and vertical variations, 3. underestimates the extent and concentration levels due to dilution. 4. Multilevels monitor discrete intervals. Provides Data for Mass Flux Calculations Calculating the contaminant concentration and flow rate helps determine the maximum contaminant concentration and risk to receptors. A transect of multilevels across the groundwater flow path provides data for mass flux calculations.

49 Multilevel Multi-Channel systems

50

51 Wie funktioniert die Geoprobe? Multilevel-Messstellen für die ungesättigte und gesättigte Zone Probleme mit Geoprobe: hohe mechanische Belastung Zerstörung von empfindlichen Sensoren für grobkörniges Sediment geringe Eindringtiefen! SONIC-Drill!

52 4. Quellenidentifikation über Konzentrationsverläufe in den Beobachtungsbrunnen AGU 2011: Smart, innovative P&T

53 Source construction through concentration profiles for typical contaminat sources (AGU 2011) Wo ist P&T anwendbar?

54 5. Was ist Tailing und Rebound und wie kann man diese Effekte abschätzen?

55 Konzentrationsverlauf: ÜA 7-11

56 Lösungsprozesse, die Tailing und Rebound bewirken

57 Ton-Linsen mit residualen NAPL-Phasen

58 Hinweise zu Übungsaufgaben Berechnung von Sanierungszeiten (= clean-up-zeiten) ÜA 21 Berechnung eines typischen Konzetrationsverlaufs mit Rebound ÜA-Zeitskalen 6 11

59 ÜA 21: Domenico & Schwarz D 20.1 und D20.2

60 Clean-Up-Zeit

61 Best-case-Szenario Menge des kontaminierten Grundwassers bzw. Volumen der Schadstofffahne (Plume) kann abgschätzt werden und ist konstant! Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben: t c V Plume Q i

62 Worst-case-Szenario DNAPL-Pool Masse der DNAPL kann abgeschätzt werden Schadstofffahne wird ständig erneuert Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben, ist durch Zahl der notwendigen Porenvolumina bestimmt, die zur vollständigen Auflösung notwendig sind: Zeitskala: 100 bis 1000 Jahre t c PV Q i

63 Pore-Volume-Konzept zur Abschätzung von Clean-up-Zeiten V P V e

64 L v x v x V P V NAPL t clean up PV v x L N P = Anzahl der Porenvolumina

65 ÜAufgaben 6-11 Abschätzung von unterschiedlichen Prozess-Zeitskalen ÜA6: ÜA7: ÜA8: ÜA9: Anzahl der Porenvolumina (= PV) konvektive Zeitskala = konv Pump&Treat Zeitskala = P&T diffusive Zeitskala = diff ÜA10: Vergleich von diff und P&T ÜA11: zeitlicher Konzentrationsverlauf

66 ÜAufgabe 9: Schadstofffreisetzung durch Diffusion Masse Fluss Zeit Fläche A Fluss Masse Zeit A Mol Masse Flussdichte Massenstromdichte D eff w C x D eff w C D eff w D 0 w w stagnant film

67 Task 42: Comparison BIOSCREEN 1D-Exact solution of ADE Comments: mass loss 1. through transversal dispersion D y = 0 2. source decay: M infinity t half infinity 1 year

68 Ende P&T Geschafft!

69 Task 29: Dimensionierung einer Multi-well P&T: A) optimale Lage der Pumpbrunnen (X,Y) B) Pumpleistung Q In Abhängigkeit der hydraulischen Eigenschaften des Aquifers, der Geometrie der Schadstofffahne und Testfeldes bestimmen! ÜA 29: Dimensionierung 4-Brunnen-Gallerie!

70 Dimensionierung einer Multi-well P&T:

71 Single-Well-Dimensionierung 2-Well-Dimensionierung Neutral Curve: 1 2 T i Q B y 1 arctan y x Scheitelpunkt Xs: dy/dx = 0 x s P Q1 2 2 Ti Single-Well-Näherung mit Q 2 = 2Q 1 x s P Q2 2 2 Ti Optimal distance between 2 wells:

72 four Q 1.2 Bu 4 Q Bu