In situ Sanierung von kontaminiertem Grundwasser

Die Zugabe von Sanierungsmitteln und deren Durchmischung unter der Oberfläche 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 gelösten Phase konzentriert, bei dem Anordnungen von eng beieinander liegenden, nicht gepumpten Sanierungsbrunnen oder wiederverwendeten Überwachungsbrunnen genutzt werden, die im Verlauf der Schadstofffahne platziert werden und eine diskontinuierliche durchlässige Wand bilden. Diese Brunnen können entweder als in situ Reaktor oder als Mittel zur Einbringung von Zusatzstoffen zur Förderung 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 Schlämmen 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 Verhältnis zwischen der asymptotischen Breite der Tracerwolke, die aus dem ungepumpten Sanierungsbrunnen austritt, und dem Innendurchmesser des Brunnensiebs, der sich aus dem Kontrast der hydraulischen Leitfähigkeit zwischen dem Grundwasserleiter und dem Brunnen ergibt und den natürlichen Grundwasserfluss in Richtung des Brunnens ablenkt.

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 Behälters verteilen den horizontalen Fluss der wässrigen Phase durch das System. Im porösen Medium wurden geschlitzte PVC-Überwachungsbrunnensiebe (5,1 cm ID) installiert (Abbildung 1b). Das poröse Medium im Behälter stellte ein natürliches Filterpaket aus 2-mm-Glasperlen dar (Abbildung 2a). Die simulierte Grundwasserströmung 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 während 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 vergrößern und so den gesamten Bereich des Tankbodens abzubilden.

Im ersten Experiment zur reaktiven Änderung wurde NaOH in einen 1,5 mm (0,060 Zoll) geschlitzten PVC-Brunnenschirm mit Phosphatpuffer als wässriger Phase gegeben. Sauerstoff-Optroden wurden auf einer Hälfte des Kastenbodens und pH-Optroden auf der anderen Hälfte des Kastenbodens angebracht (Abbildung 2a, 3a). Im Laufe der Zeit entwickelte sich eine Fahne mit erhöhtem pH-Wert, die in Größe und Form derjenigen ähnelte, die in einem kolorimetrischen Referenzversuch mit blauem Farbstoff und demselben Brunnensieb und porösen Medium beobachtet wurde. Auf der Grundlage des pH-Profils (Abbildung 2b) betrug die geschätzte 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 wässriger Phase gegeben. Auch hier entwickelte sich eine Fahne, die in Größe und Form den Referenzversuchen mit blauem Farbstoff ähnelte (Abbildung 3b). Auf der Grundlage des Sauerstoffprofils (Abbildung 3c) betrug die geschätzte 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 ähnlichen 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 poröse Medium. Zusätzliche 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 mögliche Erklärung für die geringere Breite der O₂-Fahne im Vergleich zu den blauen Farbstoff- und NaOH-Fahnen könnte eine langsamere Sauerstofffreisetzungsreaktion sein, verglichen mit der Freisetzungsreaktion für die starke Base NaOH.

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 mögliche Ausnahme von dieser Schlussfolgerung ist der Fall von Sanierungszusätzen, 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.