Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen Bioremediation ... · Grundwasserkontamination - Beispiel...
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Bioremediation
Bioremediation (1): Mikrobiol. Grundlagen
Bioremediation (2): Techn. Grundlagen – Case studies (Klausur)
Notwendige Grundlagen: Prozesse und Tools
- Grundkurs 1: Redox-Chemie
- Grundkurs 2: Prozeßbeschreibung mit part. DGLs
1
Bioremediation (1):
Mikrob. Grundlagen
Literatur:
F.H. Chapelle
Groundwater-Microbiology and Geochemistry
zentrale Fragen:
- Warum funktioniert insitu-BIOREMEDIATION quasi überall?
- Welche Rolle spielen dabei organische Schadstoffe?
2
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Mikroorganismen (Bakterien) sind die „Hauptakteure“
bei BIOREMEDIATION: ubiquitäres Vorkommen! 3
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
- Sessile Bakterienkolonien
- nahe Hauptstrombahnen
- wandern zum ED + EA-Gradienten
4
Cfu (g-1
sediment)
100 101 102 103 104 105 106
Dep
th [
m]
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
Aerobic bacteria (R2A agar)
Anaerobic bacteria (TSI agar)
Quarternary aquifer
Lignite seam
Tertiary aquifer
Bacterial colonization of the subsurface at the test site (SAFBIT 1/97 and 2/97)
Obwohl Sauerstoff (EA) nicht vorhanden,
kann aeroben Abbauweg genutzt werden!
Wichtig für Sauerstoff-Injektion 5
Perchlorate - Degrading Bacteria
6
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Energie- und Stoffwechselprozesse von
Mikroorganismen: Woher kommt Energie?
Redox-Prozesse Energiequellen!
7
e-
Cl- + O2
Biomass + CO2 Substrate (C-Quelle)
ClO4-
NO3-
O2
Beispiel: Biological Perchlorate Degradation
Elektronendonatoren,
z.B. alle organischen
Schadstoffe (BTEX)
Elektronenakzeptoren
Energiegewinn durch Elektronentransfer
vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor
ED: Plus-Pol
EA: Minus-Pol
8
Bioremediation:
Prozesse und Tools
- Grundkurs 1: Redox-Chemie
Start: 15.4.2011
Exkursion: 23.-26.5.
für 3.6.
9
Course plan
1. Overview – Introduction – Definitions
2. NAPL-1: Fundamentals, Phase-Partitioning
3. Contaminant Hydrogeology
4. Contaminants, Processes, Time scales
5. NAPL-2: Migration and Distribution
6. Pump and Treat (1)
7. Pump and Treat (2)
8. Bioremediation (1) - 15.4.11
9. Bioremediation (2) - 29.4.
10. Reactive Walls - 6.5.
11. Natural Attenuation - 13.5.
12. Soil Vapor Extraction - 20.5.
13. Case Studies - 27.5./10.6.
14. Reactive Transport Modeling 17.6.
!!! Klausur: am Fr, den 24. Juni 13.00 – 15.00 Uhr !!!
10
11
Grundkurs 1: Redox-Chemie
1. Redoxprozesse?
2. Oxidation und Reduktion ?
3. Bestimme Elektronendonator -akzeptor mit Hilfe des
Partialladungskonzeptes!
Redox-Prozesse Energiequellen
12
13
O2
H2O
Den
itrif
icati
on
Perc
hlo
rate
Red
uct
ion
ClO4 NO3 CO2 SO4
N2 H2S CH4 Cl-
+ 800 - 250
Redox (millivolts)
Electron
Donor
Energiegewinn durch Elektronentransfer
vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor
0
Klausur: Anwenden des PLK für alle Redox-Paare: EA?, ED?
C6H6
14
„Strom“ = Elektronentransport vom Elektronendonator (ED)
zum Elektronenakzeptor (EA)
Redox-Potenzial-Differenz bestimmt den „Strom“, d.h. wie
schnell ein org. Schadstoff (ED) abgebaut wird
notwendig für mikrobiellen Abbau: Minus-Pol (EA)
Limitierender Faktor: Fehlen des EA‘s (z.B. Sauerstoff)
15
Redox-Zonierung in einem reinen, unkontaminierten Aquifer
Recharge
Redoxpotential nimmt ab!
? mV
? mV
? mV ? mV
? mV
16
O2
H2O
Den
itrif
icati
on
Perc
hlo
rate
Red
uct
ion
ClO4 NO3 CO2 SO4
N2 H2S CH4 Cl-
+ 800 - 250
Redox (millivolts)
Electron
Donor
Energiegewinn durch Elektronentransfer
vom Elektronendonator zum Elektronenakzeptor
17
Energiegewinn durch reduktive Dechlorierung:
PCE + H2 TCE + Cl- + H+
EA, ED ?
18
19
Redox-Zonierung in einem kontaminierten Aquifer
Redoxpotential nimmt ab!
? mV ? mV
? mV
Welches Redox-Potential (Spannung) messen
Redox-Elektroden? 20
Aerobe und anaerobe
Abbauwege
EA = Sauerstoff aerober Abbauweg (max. Energiegewinn)
EA = Nitrat u.a. anaerober Abbauweg
21
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Aerobe und anaerobe Abbauwege für
typische organische Schadstoffe 22
Strukturformeln
wichtiger org. Schadstoffe
= Elektronendonatoren
Skript
23
Schadstoffhäufigkeit im Abstrom von Schadensfällen
60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60
TCE
PCE
Dichlorethen (trans)
Trichlormethan
Dichlorethen (1,1)
Dichlormethan
Trichlorethan (1,1,1)
Dichlorethan (1,1)
Dichlorethan (1,2)
Phenol
Aceton
Toluol
Diethylhexylphthalat
Benzol
VinylchloridDeutschland USA
TCE
PCE
Dichlorethen (cis)
Benzol
Vinylchlorid
Trichlormethan
Trichlorethan (1,1,1)
Xylol
Dichlorethen (trans)
Toluol
Ethylbenzol
Dichlormethan
Dichlorbenzol
Chlorbenzol
Tetrachlormethan
Schadensfälle / % nach G. Teutsch, P. Grathwohl, 1997
24
Grundwasserkontamination - Beispiel Bitterfeld
Jessnitz
Wolfen
Muldenstein
RossdorfBurgkemnitz
Schlaitz
Altjessnitz
Raguhn
KledewitzThurland
Reuben
Thalheim
Sandersdorf
B100
B184
> 1000 µg/L AOX
300 - 1000 µg/L AOX
60-300 µg/L AOX
20 - 60 µg/L AOX
10 - 20 µg/L AOX
Bitterfeld
Biedersdorf
Mühlbeck
Pouch
A 9
5 km
Dichloromethan
1,1-Dichlorethen
cis-Dichlorethen
trans-Dichlorethen
Trichlormethan
1,1-Dichlorethan
1,2-Dichlorethan
1,1,1-Trichlorethan
1,1,2-Trichlorethan
Tetrachlormethan
Trichlorethen
Tetrachlorethen
1,1,1,2-Tetrachlorethan
1,1,2,2-Tetrachlorethan
Pentachlorethan
Hexachlorethan
Vinylchlorid
Benzen
Toluen
Chlorbenzen
1,2-Dichlorbenzen
1,3-Dichlorbenzen
1,4-Dichlorbenzen
25 km2 mit einem geschätzten Volumen von mehr als
200 Mio m3 kontaminiertem Grundwasser
1,2,3-Trichlorbenzen
1,2,4-Trichlorbenzen
1,2,5-Trichlorbenzen
1,3,5-Trichlorbenzen
2-Chlorphenol
3-Chlorphenol
4-Chlorphenol
2,3-Dichlorphenol
2,4-Dichlorphenol
2,5-Dichlorphenol
2,6-Dichlorphenol
3,4-Dichlorphenol
3,5-Dichlorphenol
2,3,4-Trichlorphenol
2,3,5-Trichlorphenol
2,3,6-Trichlorphenol
2,4,6-Trichlorphenol
2,3,4,5-Tetrachlorphenol
2,4,5,6-Tetrachlorphenol
Pentachlorphenol
4-Chlor-3-methylphenol
1-Chlor-3-methylphenol Sanierungsforschung
in regional kontaminierten
Aquiferen
25
26
Aerober Abbauweg von Benzen zu Catechol Ringspaltung
27
Aerober Abbauweg von Chlorbenzen
28
Möglicher aerober Abbauweg
von MTBE
29
Aerober Abbauweg;
massenstöchiometrischer Faktor fO2= mo2/mTCE
30
31
Abbauwege höher-
chlorierter KWs
32
Bioremediation: A Bugs Life!
….but don’t forget the plants Höher-chlorierte Kohlenwasserstoffe
sind häufig persistent gegenüber aeroben Abbau
HCH, PCE
Case study: Auensee-Leipzig
33
TCE PCE TCA
Case study: Auensee-Leipzig
Exkursion!
lignite seam
Auensee
H2-O2-Injektion
34
Case study: Auensee-Leipzig
35
Case study: Auensee-Leipzig
36
Bioremediation:
Prozesse und Tools
- Grundkurs 1: Redox-Chemie
- Grundkurs 2: Prozeßbeschreibung mit part. DGLs
37
Grundkurs 2:
Prozeßbeschreibung mit part. DGLs
Warum?
Massenbilanzierung von Bioremediation:
Wieviel Schadstoff kann innerhalb eines Monats abgebaut werden?
Wiederholung: Vorlesungen Prozesse (1 – 4): mathematische Beschreibung
Grundlage für alle SS-Vorlesungen
38
39
Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (1)
1. konvektiver Transport (Darcy Gesetz): dx
dpk
dx
dhk
A
Qtxq w
w
wf
WW ),(
Warum Minuszeichen?
Warum Filter- oder Darcy-Geschwindigkeit qw? mittlere Transportgeschwindigkeit:
effww qu /
mittlere Teilchengeschwindigkeit: i
w
i
w Ruu /
Prozess: Wasserströmung (Konvektion)
tVQ ww /
Wasservolumenstrom
Unterscheide effektive und totale Porosität !
Tabelle 3.2.
2. advektiver Transport:
Prozess: Adsorption Teilchen bewegen sich langsamer als Wasser werden „retardiert“
Phasengleichgewicht „Festphase-Wasserphase:
i
w
i
d
i
ads CKC i
ococ
i
d KfKKoc=f(Kow) – nur von organischem Schadstoff abhängig!
unabängig von poröser Matrix mit foc
Tabelle 3.4.
i
tot
bi
dKR 1 Retardationskoeffizient: R(foc) Tabelle 3.4.
40
Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (2)
3.1. diffusiver Transport (1. Ficksches Gesetz):
x
CDA
t
NtxQ TT
T ),(
treibende Kraft Konzentrationsgradient:
Teilchenstrom durch Fläche A: Teilchenstromdichte:
gwx
CD
At
Ntxj TT
T ,,),(
Übergang von Differenz zu Differenzial: d:
gwdx
dCDtxj T
T ,,),( dx
jd
dt
dC TT )(7 T. 10 T.
C = 3
2
2
dx
CdD
dt
dC TT
Ddisp = Dispersionskoeffizeint
siehe Skript!
4. advektiver, dispersiver Transport („diffusiver“ Transport im strömenden Grundwasser) :
dx
dCu
dx
CdD
dx
Cujd
dt
dC TT
Tdisp
TTTT
2
2)(Ruu wT /
Beachte: Komponentenindex ‚i‘ ist weggelassen!
3.2. diffusiver Transport (2. Ficksches Gesetz):
41
Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (3)
Ddisp = Dispersionskoeffizeint
siehe Skript!
4. advektiver, dispersiver Transport („diffusiver“ Transport im strömenden Grundwasser) :
dx
dCu
dx
CdD
dx
Cujd
dt
dC TT
Tdisp
TTTT
2
2)(TldispdispdispwT uDRDDRuu ,/,/ 0
Lösung für konstante Randbedingung (ÜA 22):
),(),(2
),( 0 txgErfcD
xuExptxgErfc
CtxC
disp
TT
tD
tuxtxg
disp
T
2),(
0),0( CtxCT
42
Transport von Schadstoffen:
Mathematische Beschreibung (4)
Reaktiver Transport
RT
TT
dispT Q
dx
dCu
dx
CdD
dt
dC2
2
TldispdispdispwT uDRDDRuu ,/,/ 0
2. Steady-state-Annahme:
0)0( CxCT
TR CkQ1. Für Reaktionsrate verwenden wir Kinetik 1.Ordnung:
TT
TT
dispT kC
dx
dCu
dx
CdD
dt
dC2
2
TT
TT
disp kCdx
dCu
dx
CdD
2
2
0
3. Berücksichtigen nur konvektiven Transport:
TT
T kCdx
dCu
Analytische Lösung (steady-state, 1. order, reaktiver Transport) :
)/exp()( 0 uxkCxCT
Case Study:
Gekoppellte ED-EA-Technologie zur
Sanierung eines PCE/TCE-Schadens
- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s
- Wollen Schritt für Schritt Sanierungsprojekt verstehen!
- Unterlagen nicht im Skript !!!
Warum partielle DGLs?
Massenbilanzierung zur Erfolgskontrolle
43
44
ZIM-Project:
Sequential-coupled ED-EA-Technology
for PCE/TCE-remediation of groundwater
Exkursion Mai 2011
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
- Abbildung zeigt PCE-Quelle (ehem. Chem. Reinigung) und Isohypsen (GWL 1)
- Wie führen Sie eine Risikoeinschätzung durch ?
- Zeitskalen? Welche Parameter benötigen Sie?
Naherholungsgebiet
500 m
1 : 10000
1 cm : 100 m
45
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
Geologische Struktur
- Abbildung zeigt: Aquifer-Aquitard-Schichtung
- Charakterisieren Sie mögliche Kontaminationen (Quelle, Fahnentyp) für die
geologische Schichtstruktur! (PCE/TCE)
- Welche Sanierungstechnolgien sind ungeeignet und welche schlagen Sie vor?
?
Quelle Rezeptor
46
Case study: Auensee-Leipzig
Gekoppelte, sequentielle ED-EA-Technologie
1. Schritt: ED (H2)-Injektion 2. Schritt: EA (O2)-Injektion
ÜA 25: Massenbilanzierung für 1. Technologieschritt 47
Übungsaufgabe 25: Bioremediation - Wasserstoffinjektion
Dechlorierungsreaktion: PCE + H2 TCE + HCl : (kPCE)
TCE + H2 DCE + HCl : ( TCE)
Differentialgleichungen für „Parents-Daughter-Reaction“:
PCE
PCE
PCEPCE
PCE
PCE CR
k
x
C
R
u
t
C
PCE
TCE
PCETCE
TCE
TCETCE
TCE
TCE CR
kFC
Rx
C
R
u
t
C
Reine Advektion:
Vor Mathematik: Diskussion des Feldexperiments! 48
Darstellung:
Legende:
Sanierungsprinzip
08.01.2009
Zirkulationsbrunnen
Gasinjektionslanze
Filterbereich
Schematische
Ausbreitung H2
Schematische
Ausbreitung O2
In-situ Sensor
Redoxgesteuerte
hydro- dynamische
Fluidzone (RHDF)
Anaerober
Gaswand-
bereich
Aerober
Gaswand-
bereich
Abbau PCE und TCE
mit Hilfe von H2
Abbau cDCE und VC
mit Hilfe von O2
Einbringung Co-
substrate, Nährstoffe,
Hilfsstoffe
Projekt:
Leipzig, Friedrich
Bosse Str. 71
Erstellung:
Dipl.-Ing. A. Vossen
Datum:
49
50
Konzentration PCE/LHKW : Bodenproben (BTU,schwarz) in mg/kg
Wasserproben (CDM, weiss) in mg/L)
7/21
GWM 39
18/26 0.1/0.5
0.8/1.9 1.1/4.5 0.7/1.7
100 m
10 m
4.9/35
0/1.5
0.3/22
0.1/2.9
0/18 0/11
0.5/12
0/0.27
0/6.4
0.2/14
GWM 35
50/150
Stand April 2010
Ausgangssituation Schadstoffverteilung
51
Ausgangssituation Schadstoffverteilung
Vergleichsmessungen UIS vs. BTU 15.09.2010
Auensee MP-A1 (16. Sept 2010)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VC
LC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
Auensee MP-A2 (16. Sept 2010)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VCLC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
Auensee GM-A4 (16. Sept 2010)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VC
LC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
Auensee MP-B1 (16. Sept 2010)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VC
LC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
Auensee MP-B2 (16. Sept 2010)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VC
LC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
Auensee MP-B3 (16. Sept 2010)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
PCE TCE 1.2DCE 1.1DCE VC
LC
KW
(m
mo
l/l)
BTU
UIS
52
SF6-Tracer Injektion 19.11.2010
Probenahmepunkte
GW
Injektion an GAS-A2
Wichtig: man muss Wasserstoff
so injizieren, dass er
PCE-TCE-Schadstoffstrom erreicht
SF6-Gastracer
H2-SF6-Mischgas wird injiziert
Bioremediation – Reaktive Gaswand
53
Datum Datum Datum Datum Datum Datum
18.11.2010 19.11.2010 22.11.2010 26.11.2010 30.11.2010 13.12.2010
Probenamestelle SF 6 SF 6 SF 6 SF 6 SF 6 SF 6
ng/l µg/l µg/l µg/l µg/l µg/l
MP-A1 5-6m 3.82 31.75 122.66 0.77
MP-A1 7-8m 0.00 4.28 8.05 3.56 0.74
MP-A2 5-6m 2.13 1143.31 319.88 249.79 484.85
MP-A2 7-8m 0.00 9.98 969.51 314.38 192.51 125.15
MP-B1 0.00 19.66 5.95 38.10 3.08
MP-B2 5m 1.03 348.81 403.23 33.62
MP-B2 6-8m 0.00 3.59 1.87 348.81 165.93 33.36
MP-B3 4-5m 3.68 130.80 167.18 160.09
MP-B3 6-7m 0.00 5.15 136.47 313.66 87.51
GM-A1 4.38 5.51 2.74 2.77
GM-A2 3.74 414.39 137.21 54.66
GM-A3 6.73 90.88 66.05 35.33 4.66
GM-A4 0.00 1869.80 1642.59 60.47 94.99 25.76
GM-A5 32.02 >5000 464.92 304.08 320.67
SF6-Tracer Probenahme SF6
SF6-Tracer 19.11.2010
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
900.00
1000.00
18
.11
.10
20
.11
.10
22
.11
.10
24
.11
.10
26
.11
.10
28
.11
.10
30
.11
.10
02
.12
.10
04
.12
.10
06
.12
.10
08
.12
.10
10
.12
.10
12
.12
.10
14
.12
.10
Datum
SF
6 [
µg
/l]
MP-A1 5-6m
MP-A1 7-8m
MP-A2 5-6m
MP-A2 7-8m
MP-B1
MP-B2 5m
MP-B2 6-8m
MP-B3 4-5m
MP-B3 6-7m
GM-A1
GM-A2
GM-A3
GM-A4
GM-A5
54
SF6 [µg/L]; Injektion an GAS-A2; Zeit: 0 Tage nach Injektion
GW
5
5
3
4
2
9
6 32
4 3
1869
55
SF6 [µg/L]; Injektion an GAS-A2; Zeit: 3 Tage nach Injektion
GW
1
2
31
8
1143
969
91 >5000
5 414
1642
4
5
20
Was stimmt hier nicht?
Erklärung?
56
SF6 [µg/L]; Injektion an GAS-A2; Zeit: 7 Tage nach Injektion
GW
349
349
123
4
319
314
66 465
3 137
60
130
136
6
Was stimmt hier nicht?
Erklärung?
57
SF6 [µg/L]; Injektion an GAS-A2; Zeit: 11 Tage nach Injektion
GW
403
165
249
192
35 304
95
167
313
38
NO
N
SW
58
SF6 [µg/L]; Injektion an GAS-A2; Zeit: 24 Tage nach Injektion
GW
33
33
1
1
485
125
5 320
3 55
26
160
87
3
59
SF6-Tracer: Wichtige Schlussfolgerungen
1. Schadstofftransport:
bestätigt NO-SW aus Topologie der Aquiferbasis (Peak-Durchlauf)
mittlere Gelöstgas-Geschwindigkkeit von 0.08 m/h = 2 m/d
in Gasphase bis ROI > 1 m/d; ab ROI als Gelöstgas mit GW 1 m/d
ROI bei gewählten Injektionsbedingungen < 5 m
60
SF6-Tracer: Wichtige Schlussfolgerungen
Lösungskinetik:
nach 24 Tagen wird noch SF6 gemessen (GM-A5, MP-A2)
SF6 wird aus residualen, im ROI-getrappten Gasphasen nachgeliefert
Tracerkurven zeigen langes Tailing (Indikator für Nachlieferung!)
Beachte: Konzentrationsgradient geringer als bei reaktiven Gas (O2, H2)
interessantes Phänomen: Konzentrationen entgegen GW-Strömung (MP-A1)
nehmen z.T. zu!
Erklärung: Diffusive/Dispersive Vermischung aus residualen, getrappten Gasphasen
braucht mehrere Tage (> 7d) zur vollständigen Auflösung.
Stetig sinkende, dennoch signifikante Gel.-Gas Konzentrationen :
als Folge inhomogener Gasverteilung im Boden noch längere Zeiträume Gas nachgelöst
Was lernen wir für H2-Injektionsversuch?
Prozeßverständnis ableiten!
60
61
Modellsimulationen RT3D-Nahfeld
Numerisches Model: GMS-MODFLOW-RT3D (V14) RT3D-Reactive Multispecies Transport in 3-Dimensional Groundwater Systems
Module 5: Double Monod Model:
D: Donator (H2)
A: Akzeptor (PCE)
X: mobile Bakterien
System
Nichtlinearer
DGls
62
Modellsimulationen RT3D-Nahfeld: Heterogenes Kf-Feld
GW
NO
SW
63
Schrittweite Pfeile 10d
Isohypsen - GW-Strombahnen
64
Modellsimulationen RT3D-Nahfeld
Sensorfeld
Lage: 3 Injektionslanzen
65
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
t = 0d vor Injektion
PCE [mg/L]
66
t = 1d nach Injektion 1
PCE [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
67
t = 2d nach Injektion 1
PCE [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
68
t = 4d nach Injektion 1
PCE [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
69
t = 6d nach Injektion 1
PCE [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
70
t = 8d nach Injektion 1
PCE [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
71
t = 1d nach Injektion
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
72
t = 2d nach Injektion
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
73
t = 5d nach Injektion
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
74
t = 10d nach Injektion
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
75
t = 11d nach Injektion 1
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
76
t = 20d nach Injektion1
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
77
t = 21d nach Injektion 1
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
78
t = 30d nach Injektion 1
H2 [mg/L]
Simulation + Dimensionierung des
Feldversuches: Sequentielle H2-Injektion an 3 Lanzen
79
Fazit
• empfohlenes Injektionsregime:
1. alle 10 Tage 3 m³ Ar-H2-Gemisch mit niedriger Injektionsrate in alle 3
Gaslanzen (Gas-A1, Gas-A2, Gas-A3) injizieren
2. Die Injektion sollte 3 mal durchgeführt werden, d.h. über einen Monat
3-stufige Wasserstoffinjektion wurde im März durchgeführt
Sanierungserfolg ?
Übungsaufgabe 25: Bioremediation - Wasserstoffinjektion
Dechlorierungsreaktion: PCE + H2 TCE + HCl : (kPCE)
TCE + H2 DCE + HCl : ( TCE)
Differentialgleichungen für „Parents-Daughter-Reaction“:
PCE
PCE
PCEPCE
PCE
PCE CR
k
x
C
R
u
t
C
PCE
TCE
PCETCE
TCE
TCETCE
TCE
TCE CR
kFC
Rx
C
R
u
t
C
Reine Advektion:
80
Steady-state-Lösung:
C(x,t) – Konzentration (mg/l), kPCE , TCE – Abbauratenkonstanten (1/Tag),
u – Abstandsgeschwindigkeit (m/Tag)
EXCEL-file: steady-state (siehe ÜA25 Bioremediation!)
xu
kxCxC PCE
PCEPCE exp)0()(
xu
xu
k
k
xCkFxC TCEPCE
PCETCE
PCEPCETCE expexp
)0()(
Keine Zeitabhängigkeit!
xu
kxCtkFxC PCE
PCEPCETCE exp)0()(
PCETCE k
PCETCE k
Lösung ist uns bekannt!
81
Nächste Vorlesung: 29.4.
*
Heft 2, S.10 82
83
Bioremediation (2):
Techn. Grundlagen –
- Case Studies
84
Übersicht: in-situ Bioremediation (= BR)
1. Techn.-gesteuerte BR 2. Ausnutzen von intrins.
Prozessen
3. Phyotoremediation
= Engin. BR
= Enhanced BR = Intrinsic BR
= Monitored Natural
Attenuation (NA)
Vorlesung: NA Injektion von EA‘s, ED‘s +
Nährstoffen
Flüssigphasen-
Injektion
Gasphasen-
Injektion
Injektion über
Festphasen
O2, H2 in gelöster Form
H2O2-Injektion,
Injectionsbrunnen
Bioventing (unges. Zone)
Biosparging (ges. Zone)
O2, H2 im gasförmigen Zustand
Über Injectionsbrunnen
Reaktive Wände
ORC‘s, HRC‘s
85
In situ - Bioremediation:
Technische Realisierungen
ÜA 26: Ausführliche Diskussion einer
BR-Technologie (Klausuraufgabe!)
86
Luftinjektion zur Stimulierung des
aeroben Abbaus
Vorlesung: Reaktive Wände Gaswand
87
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion! 88
Kombinierte Technologien:
Nährstoffinjektion
+ Biosparging
+ Bodenluftabsaugung (SVE)
89
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion! 90
H2O2-Injektion zur Stimulierung
des aeroben Abbaus
91
Welche Prozesse ? Charakterisieren Sie Injektion!
Abbildung 1
92
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
Reaktor A
Reaktor B
MCB: hohe Konzentrationen
oberhalb der Kohle
P&T
Sequentieller und paralleler Betrieb
93
MCB - Monochlorobenzene
Innovative Reactive Barrier Technologies for Regionally Contaminated Aquifers
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
01.12.99 01.02.00 01.04.00 01.06.00 01.08.00 01.10.00 01.12.00 01.02.01
[MC
B](
ou
t/[M
CB
](in
)
Reactor A Reactor B
Start NO3-- Dosage
Start H2O2-Dosage
End H2O2-Dosage
to reactor A
NO3 H2O2
Wichtige Informationen
für eine Feldanwendung:
Flüssigphaseninjektion
Welche Prozesse ? Welche Elektronenakzeptoren ?
UFZ: Degradation of chlorobenzene by autochtonous bacteria
94
Welche Prozesse für Reaktor A) und Reaktor B)?
1. Aerob, anerob ?
2. Stöchiometrische Reaktionsgleichung, massenstöchiometrischer Faktor
3. ED, EA ?
4. Kinetik?
5. Wie lang ist die stationäre MCB-Fahne?
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
01.12.99 01.02.00 01.04.00 01.06.00 01.08.00 01.10.00 01.12.00 01.02.01
[MC
B](
ou
t/[M
CB
](in
)
Reactor A Reactor B
Start NO3-- Dosage
Start H2O2-Dosage
End H2O2-Dosage
to reactor A
H2O2 NO3
95
Case Study:
Gekoppellte ED-EA-Technologie zur
Sanierung eines PCE/TCE-Schadens
- aktuelles Kooperationsprojekt zwischen UFZ + 2 KMU‘s
- Wollen Schritt für Schritt Sanierungsprojekt verstehen!
- Unterlagen nicht im Skript !!!
96
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
97
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
- Abbildung zeigt PCE-Quelle (ehem. Chem. Reinigung) und Isohypsen (GWL 1)
- Wie führen Sie eine Risikoeinschätzung durch ?
- Zeitskalen? Welche Parameter benötigen Sie?
Naherholungsgebiet
500 m
1 : 10000
1 cm : 100 m
98
Case Study: 2.1 Ausgangssituation: Hydrogeologische Verhältnisse
Geologische Struktur
- Abbildung zeigt: Aquifer-Aquitard-Schichtung
- Charakterisieren Sie mögliche Kontaminationen (Quelle, Fahnentyp) für die
geologische Schichtstruktur! (PCE/TCE)
- Welche Sanierungstechnolgien sind ungeeignet und welche schlagen Sie vor?
?
Quelle Rezeptor
99
Case Study: 1. Erarbeitung eines Sanierungsprojektes,
Projektunterlagen
100
Case Study: 2.2. LHKW-Kontaminationsuntersuchungen Grundwasser
?
Quelle Rezeptor
Schadstoffszenario: Infiltration von DNAPL, kontinuierliche Quelle: Kohleflöz,
Vermutlich DNAPL-Pool an Aquiferbasis (Aquitard: Rupelton)
101
Oberer GWL Unterer GWL
CPCEmax = 155 mg/L!
Was vermuten Sie für CPCE > 100 mg/L?
102
103
104
Wenn Zeit, Diskussion ÜA 25!
105