Modellierung reaktiver Transportprozesse bei der künstlichen Grundwasseranreicherung

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1 Modellierung reaktiver Transportprozesse bei der künstlichen Grundwasseranreicherung Gunnar Nützmann Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei & Humboldt Universität zu Berlin, Geographisches Institut Künstliche Grundwasseranreicherung (GWA) Langzeitliche oder saisonale Speicherung Prävention von großräumigen Grundwasserabsenkungen Wasseraufbereitung (Selbstreinigunspotential) Oberflächenwasser, vorbehandeltes Abwasser 1

2 Aquifer Storage and Recovery (ASR) Injektion Förderung ASR-Brunnen ASR-Brunnen Versickerung (Soil Aquifer Treatment) Becken Grundwasser 2

3 Selbstreinigungspotential Chemische Prozesse - Redoxreaktionen - Lösungs- und Fällungsreaktionen - Ad-/Desorption von Schwermetallen oder org. Substanzen - Kationenaustausch Mikrobielle Prozesse - Abbau von geogenen und anthropogenen organischem Material Steuernde Faktoren - Grundwasserströmung, -transport - Beschaffenheit des infiltrierenden Wassers - physikalische und geochemische Aquifereigenschaften Gewährleistung eines nachhaltigen und sicheren Managements von künstlichen GWA-Systemen Quantitatives Verständnis der interagierenden Strömungs-, Transport- und biogeochemischen Prozesse 3

4 Parameterwerte Raum + Zeit Beobachtungen (Chemie, Fließzeit, Piezometerhöhe, Aquifereigenschaften) Parameterwerte mögliches Systemverhalten mögliches Systemverhalten Raum + Zeit Beobachtungen (Chemie, Fließzeit, Piezometerhöhe, Aquifereigenschaften) 4

5 Was kann die reaktive Transportmodellierung beitragen? Prozesse erklären Prozessparameter quantifizieren Hypothesen überprüfen, das Zusammenwirken der Prozesse auf Konsistenz prüfen Messungen ergänzen Was ist ein Modell? 5

6 Reaktive Transportmodellierung Berechnung von Strömungs- und Transportprozessen + Berechnung der biogeochemischen Reaktionen Integrale Beschreibung des Systems in Raum und Zeit Modellierumgebung Strömungsmodell (MODFLOW) Transport (MT3DMS), multi species Reaktion (PHT3D) Interface zu PHREEQC (chemische Speziation) Nutzung des Leistungsumfangs dieses Programms 6

7 PHT3D (Prommer, 2001) Definition Reaction Framework Database Definition Komponenten als Transport-Species (MT3DMS) oder immobile Species, im Gleichgewicht, oder Kinetik, Ionenaustausch möglich Aufruf PHREEQC über Input File für jeden Modellknoten, Auswertung PHREEQC-Rechnung Zuweisung Komponentenwerte (Ergebnisse) als Transport-Species (MT3DMS) Simulation eines GWA-Sickerbeckens WW Berlin / Tegel 7

8 Sickerbecken WW Berlin / Tegel Sickerbecken Massmann et al., J. Hydrol. (in press) 8

9 July 2003 Dec Phase 1 surface water groundwater 9

10 Phase 2 surface water water saturated zone groundwater Phase 3 surface water clogging layer water saturated zone groundwater 10

11 Phase 4 surface water clogging layer unsaturated zone O 2 O 2 groundwater July Dec. 11

12 Sickerbecken Modellaufbau TEG365 TEG366 TEG367 TEG368OP TEG369OP 41 m TEG368UP TEG369UP Symmetrieachse (Beckenmitte) Aquifer-Basis 134 m Nicht-reaktives Transportmodell Temperatur Sickerbecken Messung Simulation 12

13 Reaktives Model (Konzept entwickelt in Massmann et al., J. Hydrol. (in press), realisiert mit PHT3D) Mikrobieller Abbau von SOM und damit verbundene Redoxprozesse Verbrauch von O 2, Nitrat, MnO 2 Mikrobieller Abbau von Phenazon (Arzneimittelrückstand aus Schmerzmittelprodukten, z.b. SpaltN ) Abbau gekoppelt an O 2 -Konzentration Alle Abbauraten sind abhängig von Wassertemperatur Temperatur Sauerstoff Messung Nicht-reaktiv Nicht T.- Abbhängig T.-Abbhängig Nitrat 13

14 Temperatur Sauerstoff Messung Nicht-reaktiv Nicht T.- Abbhängig T.-Abbhängig Phenazon µg/l Zusammenfassung Dynamik der Redox-Prozesse im Aquifer wird überwiegend von saisonalen Temperaturenschwankungen bestimmt Abbauverhalten von Phenazon hängt ausschliesslich von der O 2 -Verteilung im Aquifer ab (reziprok). Erstmalig gelungene prozessorientierte Simulation einer Arzneimittelsubstanz im Grundwasserleiter! Greskowiak, J., Prommer, H., Massmann, G., Johnston, C. D., Nützmann, G., Pekdeger, A The impact of variable saturated conditions on the hydrochemistry during artificial recharge of groundwater A field study, Applied Geochemistry 20, Greskowiak, J., Prommer, H., Massmann, G., Nützmann, G Modelling seasonally changing fate of the pharmaceutical residue Phenazone during artificial recharge of groundwater. ES&T (submitted) 14

15 Aquifer Storage and Recovery ASR-Brunnen Australien 50m Messstelle Adelaide Injektion von vorgeklärtem Abwasser (nährstoffreich) Aquifer Storage and Recovery 100m 160m 50m Messstelle ASR Brunnen 15

16 DOC mol/l SO mol/l 0 4 x Injektion ASR Speicherung Aquifer Storage and Recovery 50m x x Tage seit Start der Injektion Tage seit Start der Injektion Messung Nicht-reaktiv Reaktiv Reaktiv + Bakt. Aquifer Storage and Recovery ASR m HCO 3 - mol/l Messung Reaktiv Reaktiv + Bakt. ph Speicherung Tage seit Start der Injektion Tage seit Start der Injektion 16

17 17 Reaktive Stofftransportmodellierung einer urbanen GW-Kontamination (ehem. Rieselfeld) Graduiertenkolleg Stadtökologie Team Christoph Horner (Geochemist) Enrico Hamann (Geoökologe) Janek Greskowiak (Geologist) Modelling Group Dialog across Disciplines!

18 NASRI is an interdisciplinary project of the KompetenzZentrum Wasser Berlin ggmbh (KWB) in co-operation with the following Institutes: TU Berlin, FU Berlin, IGB, Umweltbundesamt. The authors acknowledge Veolia Water and Berliner Wasser Betriebe (BWB) for their support of this research. Many thanks to: Birgit Fritz (KWB), Gudrun Massmann, Asaf Pekdeger (FU) 18