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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Forschung: Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung (VEGAS)

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Verbundprojekt "Artificial AnAerobic Aquifer - A4": Untersuchungen zu Strömungs- und Transportvorgängen in einem heterogenen, anaeroben Modellaquifer
im koordinierten Verbundvorhaben
"Stimulierung der vollständigen reduktiven Dehalogenierung in einem Modellaquifer"
Projektleiter:Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Helmut Kobus, Ph.D.
Wissenschaftliche Mitarbeiter:PD Dr.-Ing. Olaf Arie Cirpka
Dipl.-Geophys. Gerhard Bisch
Projektdauer:1.6.1994 - 29.2.1996
Finanzierung:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Kommentar:

Dieses Projekt gehört zum Forschungsschwerpunkt:
Verhalten von Schadstoffen im Untergrund

Publikationen: Link

Zusammenfassung:

Ziel des Verbundvorhabens „Stimulierung der vollständigen reduktiven Dehalogenierung in einem Modellaquifer“ ist es, den reduktiven Schadstoffabbau in Grundwasserleitern und seine Abhängigkeit von mikrobiologischen, chemischen und hydraulischen Bedingungen anhand des Beispiels der vollständigen reduktiven Dechlorierung von Tetrachlorethen zu untersuchen. Das Teilvorhaben „Untersuchungen zu Strömungs- und Transportvorgängen in einem heterogenen, anaeroben Modellaquifer“ befasst sich hierbei mit den Wechselwirkungen zwischen hydraulischen Eigenschaften des Untergrundes und mikrobiellen Umsetzungen. Dies umfasst sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen.

Für das Vorhaben wurde ein großskaliger, quasi zweidimensionaler Versuchsstand konstruiert und aufgebaut. Der Versuchsstand bildet einen gespannten Grundwasserleiter nach und ist mit zwei unterschiedlichen Sanden in definierter Struktur befüllt. Wegen der Verwendung von Tertachlorethen musste ein besonders hochlegierter Edelstahl verwendet werden. Der Versuchsstand kann auf grundwassertypische Temperaturen von etwa 10 °C gekühlt werden. Er verfügt über 142 Probenahmestellen für Wasserproben und 10 Probenahmestellen für Bodenproben. Zum Austausch der Bodenproben wurde ein spezielles Probenahmesystem entwickelt, das den Luftzutritt zu den Proben und Störungen der Bodenstruktur durch Probenahme minimiert.

Zur Ermittlung der hydraulischen Eigenschaften wurden sowohl Druckmessungen als auch Versuche mit Salz als Markierungsstoff durchgeführt. Für die in-situ Detektion des Salzes wurde ein spezielles System zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit entwickelt. Es basiert auf der 4-Pol-Messung. Das System umfasst 142 Sonden, die mit einer eigens entwickelten Schaltung vorverstärkt und galvanisch getrennt werden, einen Messstellenumschalter mit 142x4 Kanälen, einen selbst neu entwickelten Messumformer und eine rechnergesteuerte Datenerfassung mit zugehöriger Software. Das System ermöglicht es, die Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit und damit der Salzkonzentration im Versuchsstand automatisch zu erfassen, wobei für die Aufnahme eines Datenpunktes etwa 5 Sekunden benötigt werden.

Erste Messungen zeigten erwartungsgemäß, dass die Tracerversuche gegenüber der räumlichen Variabilität der Durchlässigkeit sensitiver sind als die Druckmessungen.

Um die Dispersivitäten der eingesetzten Sande unabhängig zu bestimmen, wurde ein kleinerer zweiter Versuchsstand aufgebaut, der homogen befüllt wurde und mit den gleichen Messsonden bestückt wurde wie der große Versuchsstand. Die ermittelten Längsdispersivitäten liegen im Bereich des mittleren Korndurchmessers, die Querdispersivitäten sind etwa um den Faktor 5 kleiner.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das Simulationsprogramm CONTRACT entwickelt, mit dem der reaktive Mehrkomponententransport rechnerisch nachgebildet werden kann. Es wurden umfangreicher Studien zur Genauigkeit und Stabilität der eingesetzten numerischen Methoden durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass klassische Upscaling-Konzepte des konservativen Stofftransports wie das Makrodispersionsmodell und der Zwei-Bereiche-Ansatz nicht auf den Transport von Substanzen übertragen werden kann, die miteinander reagieren. Für die reduktive Dechlorierung von Tetrachlorethen gekoppelt mit dem advektiv-dispersivem Transport ergaben die Berechnungen, dass die zunehmende Mobilität der Metabolite limitierend für die Durchmischung mit dem Elektronendonator und damit für die mikrobiellen Umsetzungen wirkt. Ob sich dieser Befund experimentell bestätigen lässt, wird unter anderem Gegenstand der vorgesehenen zweiten Projektphase sein.