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In situ Sanierung von kontaminiertem Grundwasser
Untersuchung zur Freisetzung von Grundwassersanierungsmitteln aus Brunnensieben unter Durchflussbedingungen mit VisiSens TD
Seagren E.A., Waypa A.
Department of Civil, Environmental, and Geospatial Engineering, Michigan Technological University, USA
Dieser Anwendungsbericht zeigt, wie die VisiSens Imaging-Technologie zur Visualisierung und Quantifizierung der Freisetzung von Grundwassersanierungsmitteln aus ungepumpten Brunnen unter Durchflussbedingungen eingesetzt werden kann. Die in situ Sanierung von kontaminiertem Grundwasser erfordert im Allgemeinen, dass der Schadstoff mit einem reaktiven Material in Kontakt gebracht wird oder dass die erforderlichen Co-Reaktionspartner bereitgestellt werden, damit die angestrebte abiotische oder biotische Reaktion ablaufen kann. Bei der Grundwassersanierung k?nnen die erforderlichen Reaktanten alle natürlich vorhanden sein, jedoch nicht in ausreichender Menge. So kann z. B. für den biologischen Abbau von Erd?lkohlenwasserstoffen in situ die Zugabe von Sauerstoff erforderlich sein. Diese limitierenden Reaktanten müssen in ausreichender Menge zugeführt und mit dem / den Schadstoff(en) und den Mikroben (im Falle der Bioremediation) in Kontakt gebracht werden.
Die Zugabe von Sanierungsmitteln und deren Durchmischung unter der Oberfl?che ist einer der schwierigsten und teuersten Aspekte der in situ Sanierung von Grundwasser. Wir haben uns auf ein semipassives in situ Sanierungskonzept für die Behandlung von Verunreinigungen in der gel?sten Phase konzentriert, bei dem Anordnungen von eng beieinander liegenden, nicht gepumpten Sanierungsbrunnen oder wiederverwendeten ?berwachungsbrunnen genutzt werden, die im Verlauf der Schadstofffahne platziert werden und eine diskontinuierliche durchl?ssige Wand bilden. Diese Brunnen k?nnen entweder als in situ Reaktor oder als Mittel zur Einbringung von Zusatzstoffen zur F?rderung des biotischen oder abiotischen Abbaus dienen. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit bestand darin, die Freisetzung von Zusatzstoffen ins Grundwasser zu modellieren, die zur Stimulierung der in situ Biosanierung in Form von Feststoffen oder Schl?mmen in solche Brunnen eingebracht wurden. Insbesondere haben wir einen bereits früher berichteten Modellierungsansatz zur Beschreibung der passiven Freisetzung von Zusatzstoffen aus Brunnenanlagen [1], der auf der Theorie der Bohrlochverdünnung [2] beruht, experimentell bewertet. Der Schlüsselparameter in der Bohrlochverdünnungstheorie ist α, das Verh?ltnis zwischen der asymptotischen Breite der Tracerwolke, die aus dem ungepumpten Sanierungsbrunnen austritt, und dem Innendurchmesser des Brunnensiebs, der sich aus dem Kontrast der hydraulischen Leitf?higkeit zwischen dem Grundwasserleiter und dem Brunnen ergibt und den natürlichen Grundwasserfluss in Richtung des Brunnens ablenkt.
Material & Methoden
Die Experimente wurden in einem "Box"-Reaktor (Abbildung 1a) durchgeführt, der einen horizontalen Schnitt durch einen Aquifer und einen Brunnenschirm simuliert. Der Polycarbonatreaktor ist 20 cm breit, 40 cm lang und 5 cm tief. Siebe an jedem Ende des Beh?lters verteilen den horizontalen Fluss der w?ssrigen Phase durch das System. Im por?sen Medium wurden geschlitzte PVC-?berwachungsbrunnensiebe (5,1 cm ID) installiert (Abbildung 1b). Das por?se Medium im Beh?lter stellte ein natürliches Filterpaket aus 2-mm-Glasperlen dar (Abbildung 2a). Die simulierte Grundwasserstr?mung wurde so eingestellt, dass eine durchschnittliche Porenwassergeschwindigkeit von etwa 10 m/d erreicht wurde. Für die Versuche zur Einstellung des pH-Werts wurde ein NaOH-Pellet (~ 0,08 g) in der Mitte des Brunnensiebs am Boden des Reaktors platziert. Für die Experimente zur Sauerstoffzugabe wurde ein Drahtgeflechtrohr (~ 25,4 mm ID), das ~ 25 g PermeOx? Ultra Granular (Evonik Active Oxygens, LLC) enthielt, in die Mitte des Wellscreens eingeführt und dort festgehalten. Um die 2D-Verteilung von pH und / oder Sauerstoff w?hrend der Experimente mit NaOH und PermeOx? zu visualisieren, wurden planare Optrodenfolien (je 15 cm x 10 cm; Sauerstoff: SF-RPSu4, pH: SF-HP51R) auf den Boden des Tanks geklebt (Abbildung 1c, 1d). Die Messungen wurden alle 2 bis 3 Minuten abwechselnd mit einer VisiSens TD? Kamera durchgeführt, die Bilder von pH und Sauerstoff aufnahm. Das VisiSens TD wurde mit dem Big Area Imaging Kit ausgestattet, um das Sichtfeld auf bis zu 30 cm x 25 cm zu vergr??ern und so den gesamten Bereich des Tankbodens abzubilden.
Ergebnisse
Im ersten Experiment zur reaktiven ?nderung wurde NaOH in einen 1,5 mm (0,060 Zoll) geschlitzten PVC-Brunnenschirm mit Phosphatpuffer als w?ssriger Phase gegeben. Sauerstoff-Optroden wurden auf einer H?lfte des Kastenbodens und pH-Optroden auf der anderen H?lfte des Kastenbodens angebracht (Abbildung 2a, 3a). Im Laufe der Zeit entwickelte sich eine Fahne mit erh?htem pH-Wert, die in Gr??e und Form derjenigen ?hnelte, die in einem kolorimetrischen Referenzversuch mit blauem Farbstoff und demselben Brunnensieb und por?sen Medium beobachtet wurde. Auf der Grundlage des pH-Profils (Abbildung 2b) betrug die gesch?tzte Breite der Fahne mit einem pH-Wert > 7,4 etwa 9,27 cm, was einem α = 1,82 entspricht (Abbildung 2c). Dies stimmt mit den Ergebnissen der blauen Farbstofffahne überein, die eine Fahnenbreite von 8,89 cm aufwies, was einem α = 1,75 entspricht. Ein Duplikatversuch ergab fast identische Ergebnisse (Fahnenbreite von 9,30 cm; α = 1,83). Somit stimmen die α-Werte mit der starken Basenquelle NaOH mit denen überein, die mit dem nicht reaktiven blauen Tracer-Kontrollversuch erzielt wurden.
Im zweiten Versuch wurde PermeOx? in das 1,5-mm-Schlitzsieb aus PVC mit entlüftetem Phosphatpuffer als w?ssriger Phase gegeben. Auch hier entwickelte sich eine Fahne, die in Gr??e und Form den Referenzversuchen mit blauem Farbstoff ?hnelte (Abbildung 3b). Auf der Grundlage des Sauerstoffprofils (Abbildung 3c) betrug die gesch?tzte Breite der Sauerstofffahne jedoch etwa 8,43 cm oder α = 1,66, was schmaler ist als die Ergebnisse der blauen Farbstoff- und NaOH-Fahne. Dieses Experiment wurde dupliziert, mit sehr ?hnlichen Ergebnissen (O2-Fahnenbreite von 7,62 cm; α = 1,5), wiederum schmaler als die Ergebnisse der blauen Farbstoff- und NaOH-Fahne für denselben Brunnenschirm und dasselbe por?se Medium. Zus?tzliche Experimente mit dem blauen Farbstoff zeigten, dass weder das Vorhandensein des Innensiebs noch das PermeOx? Material innerhalb des Brunnensiebs zu einer engeren Fahne beitrugen. Eine andere m?gliche Erkl?rung für die geringere Breite der O2-Fahne im Vergleich zu den blauen Farbstoff- und NaOH-Fahnen k?nnte eine langsamere Sauerstofffreisetzungsreaktion sein, verglichen mit der Freisetzungsreaktion für die starke Base NaOH.
Zusammenfassung
Die mit dem VisiSens O2- und pH-Imagingsystem aufgezeichneten experimentellen Ergebnisse haben bewiesen, dass die Vorhersagen der Bohrlochverdünnungstheorie für die asymptotische Breite der Tracerwolke, die von einem ungepumpten Sanierungsbrunnen ohne Filterpackung ausgeht, konsistent sind. Die einzige m?gliche Ausnahme von dieser Schlussfolgerung ist der Fall von Sanierungszus?tzen, deren Freisetzungsrate begrenzt ist.
Referenzen
[1] Wilson, R.D., D.M. Mackay, and J.A. Cherry. 1997. Arrays of unpumped wells for plume migration control by semi-passive in situ remediation. Groundwater Monitoring & Remediation, 17(3):185-193.
[2] Drost, W., D. Klotz, A. Koch, H. Moser, F. Neumaier, and W. Rauert. 1968. Point dilution methods of investigating ground water flow by means of radioisotopes. Water Resources Research, 4(1):125-146.