tübinger geowissenschaftliche arbeiten (tga)

124 Pages·2000·2.04 MB·German

Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG)
TÜBINGER
GEOWISSENSCHAFTLICHE
ARBEITEN (TGA)
Reihe C: Hydro-, Ingenieur- und Umweltgeologie
Schriftleitung: P. Grathwohl, G. Teutsch
Michael Finkel
Quantitative Beschreibung des
Transports von polyzyklischen
aromatischen Kohlenwasserstoffen
(PAK) und Tensiden in porösen
Medien
TGA, C47, 1999
Herausgeber: Institut für Geowissenschaften der Universität Tübingen
Sigwartstraße 10, D-72076 Tübingen

Schriftleitung der Reihe C: Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG)
Lehrstuhl für Angewandte Geologie
Prof. Dr. Peter Grathwohl & Prof. Dr. Georg Teutsch

Redaktion: Dipl.-Geol. Björn Sack-Kühner

ISSN 0935-4948 (Print)
ISSN 1610-4706 (Internet)
TGA ReiheC Nr.47 98S.,74Abbildungen,22Tabellen Tu¨bingen,Januar 1999
QuantitativeBeschreibung des
Transports vonpolyzyklischen
aromatischen Kohlenwasserstoffen(PAK)
und Tensiden inporo¨sen Medien
vonMichaelFinkel1
Kurzfassung: DieQualita¨tdesGrundwassers,derwichtigstenTrinkwasserressourceinWest-Deutschland,wird
insbesondereim na¨herenUmfeldsogenannterAltlasten durchdenEintragvon Schadstoffenbelastet.Unter die-
sen Schadstoffensind viele Verbindungender Stoffgruppeder polyzyklischenaromatischenKohlenwasserstoffe
(PAK) zu finden. Einige dieser Verbindungenwirken nachgewiesenermaßen krebserregend und sind daher von
großerumweltpolitischerBedeutung.AufgrunddergroßenAnzahlbeeintra¨chtigterFla¨chenunddervielfachtief
indenAquifereingedrungenenSchadstoffquellebestehteindringenderBedarfanwirksamenundkostengu¨nstigen
In-situ-TechnologienzurSanierungderAltlast-Standorte.Hierbeiistinderju¨ngerenVergangenheitdie Verwen-
dung von Tensiden zur Transportvermittlung,aber auch zur Immobilisierung im Grundwasser gelo¨ster PAK in
den Blickpunkt des Interesses geru¨ckt. Um das Potential und die mo¨gliche Effizienz von Tensiden bei der Sa-
nierungvonPAK-Kontaminationenzuverla¨ssigabscha¨tzenzuko¨nnen,mußeinmo¨glichstabgesichertesBildder
fu¨rdengekoppeltenTransportvonPAKundTensidenrelevantenProzesseundWechselwirkungenentworfenund
ingeeigneterFormineinmathematischesPrognosemodellumgesetztwerden.Daaufpha¨nomenologischenbzw.
empirischen Ansa¨tzen beruhende Modelle hierbei nur von begrenztem Nutzen sind, wurde im Rahmen dieser
Arbeit mit der Entwicklung des Simulationsmodelles SMART (Streamtube Model for Advective and Reactive
Transport)einandererWegbeschritten.DurcheinaufdieexperimentellenUntersuchungenvonDANZER(1998)
abgestimmtes Vorgehenwurde ein reines Prognosemodell(Vorwa¨rtsmodell)entwickelt, das nur diejenigenPro-
zesse beru¨cksichtigt,die im Rahmen von Laborexperimentenidentifiziert und quantifiziert werden konnten und
das ausschließlichmeßbare Parameterverwendet.Dabei wird die Heterogenita¨tdes poro¨senMediums in Bezug
auf seine prozeßrelevantenphysiko-chemischenEigenschaften explizit beru¨cksichtigt, indem der lithologischen
ZusammensetzungundKorngro¨ßenverteilungdes Aquifermaterialsdurcheine Matrix homogenerEinzelfraktio-
nenentsprochenwird.AufdieseWeiseko¨nnendieBodenparameteralsfesteGro¨ßenbehandeltundaufheterogen
zusammengesetztenatu¨rlicheAquifermaterialienu¨bertragenwerden.ZurBeschreibungdesreaktivenStofftrans-
portswurdederLagrange'scheAnsatzvonDAGAN& CVETKOVIC(1996)adaptiertunderweitert.DasVerfahren
erlaubteineseparateBehandlungvonkonservativemTransportundreaktivenProzessenundistsowohlfu¨rdieSi-
mulationkleinskaligerLaborexperimentealsauchfu¨rBerechnungenimFeldmaßstabgeeignet.ZurBeschreibung
deskonservativenTransportskannaufbestehendeModellebzw.Programmezuru¨ckgegriffenwerden.Derreaktive
TransportwirdinFormeinersogenanntenReaktionsfunktionbeschrieben,dieu¨bereineeindimensionaleBetrach-
tungeinzelnerStromro¨hrenbestimmt werdenkann.DurchModellsimulationenverschiedenerLaborexperimente
(DANZER,1998)mitPhenanthrenunddemnicht-ionischenTensidTerrasurfG50wurdedaskonzeptionelleMo-
dell der fu¨r den Transport von PAK und Tensiden relevanten Prozesse u¨berpru¨ft und erweitert. Die Ergebnisse
zeigen,daßdieBeschreibungdesTransportsvonPAKundTensideninheterogenemAquifermaterialaufderBasis
unabha¨ngig bestimmter lithokomponentenspezifischerParameter mo¨glich ist. Sie deuten weiter darauf hin, daß
sowohldieTensid-SorptionalsauchdiePAK-Sorptionindieadmizella¨reTensidphasealskinetische(diffusionsli-
mitierte)Prozesseaufzufassensind.ImHinblickaufdieFeldanwendungwirdderPAK-TransportinAnwesenheit
vonTensidenimAbstromeinesSchadensherdesanzweiFallbeispielendiskutiert.
1DissertationanderGeowissenschaftlichenFakulta¨tderUniversita¨tTu¨bingen
AnschriftdesVerfassers:MichaelFinkel,Adolf-Kolping-Str.1,72070Tu¨bingen

Quantitativedescription
ofthetransportofpolycyclic
aromatichydrocarbons(PAH)
andsurfactantsinporousmedia
Abstract: Thequalityofthegroundwater,themaindrinkingwaterresourceinWest-Germany,isendangeredby
thereleaseofvariouscontaminantsespeciallyinthevicinityofhazardous-wastesitesandformermanufacturedgas
plants.Amongthesecontaminantspolycyclicaromatichydrocarbons(PAH)areofgreatconcernduetotheirtoxic
andcarcenogenicpotential.Inviewofthelargenumberofsiteswithcontaminationsourceswhichoftenhasbeen
deeplypenetratedintotheaquiferthereisaurgentneedforefficientandeconomicalin-situremediationtechnolo-
gies.Inthiscontext,theuseofsurfactantseithertoimmobilizeorsolubilizePAHdissolvedingroundwaterbecame
apointofinterest.Inordertoestimatethepotentialofsurfactantstoenhanceanin-situremediationonehastogain
furtherinsightintheprocessesandinteractionsassociatedwiththecoupledtransportofPAHandsurfactantsand
todevelopanappropriatetransportmodelcapableofpredictingthetransportofPAHandsurfactants.Tothisend,
thesimulationtoolSMART (StreamtubeModelforAdvectiveandReactiveTransport)hasbeendeveloped.Ba-
sedonacloseco-operationwithlaboratoryinvestigations(DANZER,1998)duringmodeldevelopmentonlythose
processesthatcould beidentifiedwithin the labexperimentshavebeenimplementedinthe model.Furthermore
process-orienteddescriptionswereusedinordertoguaranteethatonlymeasurableparametersareneededasinput.
Thephysico-chemicalheterogeneityoftheporousmediaisaddressedbyamatrixofhomogeneoussoilfractions.
Inthiswaysoilparameterscanbetreatedasfixedquantitiesandmaybetransferedtoanynaturalaquifermaterial.
ThetransportmodelisbasedonaLagrangianapproachofDAGAN&CVETKOVIC(1996),whichhasbeenadapted
andexpanded.Themethodallowsforaseparatetreatmentofconservativetransportandreactiveprocesses.Itcan
be appliedto problemsat laboratory-scaleas well as at field-scale. Forthe descriptionof conservativetransport
existingmodelsmaybeused.Reactivetransportisdescribedbyaso-calledreactionfunctionwhichcanbedeter-
minedbysimulatingonedimensionaladvective-reactivetransportalongsinglestreamtubes.Inordertoevaluatethe
conceptualmodelofprocessesrelevanttothetransportofPAHandsurfactants,simulationsofseverallaboratory
experiments(DANZER,1998)hasbeenconducted.ItisshownthatthetransportofPAHandsurfactantsinhetero-
geneousaquifermaterialcanbemodelledbyusingindependentlydeterminedlithocomponent-specificparameters.
Furthermore,theresultsindicatethatboththesorptionofsurfactantsandthesorptionofPAHintotheadmicellar
phaseshouldbeconceivedaskinetic(diffusion-limited)processes.Field-scaletransportofPAHandsurfactantsis
discussedwithtwocase-studies.

WennmaneinBa¨rvonsehrwenig
VerstandistundsichSachenausdenkt,findet
manplo¨tzlich,daßeineSache,dieineinemselbst
nochstarkwieeineSacheausgesehenhatte,
ganzandersist,wennsieherauskommtund
vonanderenbetrachtetwird.
(aus:PuderBa¨roderwiemandasLebenmeistertvonA.A.Milne)

Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandimRahmendesvomBundesministeriumfu¨rForschungundTechnologie(BMFT)
gefo¨rdeten Projekts “Ermittlung und Reduzierung der Schadstoffemission bei teer- und teero¨lkontaminierten
Bo¨den”(ProjektWasser-Abfall-Boden,PD94160).DemBMFTseiandieserStellefu¨rdieUnterstu¨tzunggedankt.
Fu¨rdieU¨berlassungdesThemas,seinstetesInteresseamFortgangdieserArbeitundseineAnregungeninzahl-
reichenDiskussionendankeichProf.Dr.GeorgTeutsch,dessen“LockrufderWissenschaft”michnachTu¨bingen
gefu¨hrtundmirletztendlichzuakademischenEhrenverholfenhat.
HerrnProf.Dr.PeterGrathwohldankeichfu¨rseinInteresseandieserArbeit,seineDiskussionsbereitschaftund
fu¨rdieU¨bernahmedesKo-Referats.
MeinbesondererDankgiltHerrnDr.RudolfLiedl,dermichmitseinenRatschla¨genundAnregungenundnicht
zuletztmitseinerjederzeitoptimistischenGrundhaltungwirklichvorbildlichunterstu¨tztundwesentlichzumGe-
lingendieserArbeitbeigetragenhat.
EinspeziellerDankgehtanmeinenKollegenundLeidensgenossenJo¨rg“Parametrisierer”Danzer.OhnedieZu-
sammenarbeitmitihm,seineHilfeundnichtzuletztseineexzellentenDatenha¨ttedasGanzenurhalbsovielSpaß
gemacht.
AuchSybilleKleineidamundHermannRu¨gnerhabenmirihremu¨hevollgewonnenenDatendankenswerterWeise
zurVerfu¨gunggestelltundmirdurchzahlreicheDiskussionensehrgeholfen.
Allenu¨brigenKollegendankeichfu¨rallegroßenundkleinenHilfen,dasguteArbeitsklimaundjedesaufmuntern-
deWort.
Fu¨rihreGeduld,ihrVersta¨ndnisfu¨rmanch“schlechtenTag”undihrepausenloseUnterstu¨tzungdankeichmeiner
Frau.Ein herzlichesExtra-Dankegebu¨hrtauchmeinenKindernfu¨rihreganzspezielle, ebensohemmungs-wie
mitleidsloseArtmirzurSeitezustehen.
Schließlichmo¨chteichmeinerMutterdanken,diebeiihrenzahllosen“Einsa¨tzen”alsKindersitterwirklichgroße
DienstegeleistethatundmirmitihremEngagementfu¨rmeineDissertationha¨ufigVorbildwar.