Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2198
Main Title: Prognose zum Einsatz von Monitored Natural Attenuation nach einem Mineralölschadensfall
Translated Title: Prognosis of monitored natural attenuation at a petroleum hydrocarbon contaminated site
Author(s): Gerstner, Daniela
Advisor(s): Tröger, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Monitored Natural Attenuation (MNA) steht in der Praxis der Altlastenbearbeitung zunehmend im Blickpunkt eine Alternative zu konventionellen Maßnahmen bei der Sanierung von Grundwasserschadensfällen zu sein, sofern der Nachweis der Massenreduzierung durch Schadstoffminderungsprozesse erbracht werden kann. Sollen im Rahmen der Altlastenbearbeitung derartige Abbau- und Rückhalteprozesse Berücksichtigung finden, setzt dies detaillierte standortspezifische Untersuchungen voraus, auf denen aufbauend eine modellgestützte Prognose der Schadstoffausbreitung in Raum und Zeit entwickelt werden kann. Nach gegenwärtigem Kenntnisstand existieren verschiedene Möglichkeiten der qualitativen und quantitativen Analyse von Schadstoffminderungsprozessen in bereits existierenden Schadstofffahnen. Im Gegensatz dazu wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine raumzeitliche Prognose der Schadstoffausbreitung an einem mit MKW und BTEX kontaminierten Standort erstellt, an dem auf Grund der bisherigen erfolgreichen hydraulischen Sicherung keine nennenswerte Ausbildung einer Schadstofffahne stattgefunden hat. Der qualitative Nachweis relevanter Schadstoffminderungsprozesse im Grundwasserleitersystem erfolgte basierend auf Grundwasseranalysenergebnissen durch eine Analyse terminaler Elektronenakzeptoren und –donatoren im Bereich der Schadensquelle. Dabei stellt die Zehrung terminaler Elektronenakzeptoren einen indirekten Nachweis des Abbaus organischer Substanz dar. Es konnten sämtliche Prozesse der biogeochemischen Abbaufolge nachgewiesen werden. Zur Identifizierung und Bilanzierung der für das quartäre Grundwasserleitersystem relevanten NA-Prozesse wurden mit standortspezifischen Untergrundmaterialien verschiedene Laboruntersuchungen durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Durchführung von Säulenversuchen, mit denen sowohl biologisch gut abbaubare Stoffe, wie BTEX, als auch persistente Stoffe, wie MTBE und TBA, untersucht wurden. Die Versuche wurden so konzipiert, dass mehrere Prozesse der biogeochemischen Abbausequenz im Labor simuliert und die Einzelprozesse einer Bilanzierung unterzogen werden konnten. Dabei zeigte sich, dass die Effizienz der Mangan- und Eisenreduktion gegenüber der Denitrifikation und Sulfatreduktion deutlich in den Hintergrund tritt. Für die Langzeitprognose der räumlichen und zeitlichen Ausdehnung einer zukünftigen Schadstofffahne nach dem Beginn von MNA am Standort wurde ein Grundwasserströmungsmodell und –transportmodell mit dem Programm FEFLOW erstellt. Dabei wurden für den Simulationszeitraum von 100 Jahren verschiedene Szenarienbetrachtungen vorgenommen, mit deren Hilfe der Einfluss von Dispersion, Abbau, Grundwasserneubildung und Grundwasserstandsschwankungen auf die Schadstoffausbreitung untersucht wurden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass nicht nur der Bereich der Schadensquelle, sondern auch der potenzielle Reaktionsraum beim Einsatz von MNA durch ein bedeutendes Abbau- und Rückhaltepotenzial gekennzeichnet ist. Kommt MNA zum Einsatz, ist eine Begrenzung der MKW-Schadstofffahne durch NA-Prozesse zu erwarten. Zusammenfassend ergibt sich, dass auch bei vergleichsweise jungen Schadensfällen, deren räumliche Ausdehnung sich auf den Quellbereich beschränkt, bereits der Nachweis der Wirksamkeit von NA erbracht werden kann. Dadurch bietet sich in einer relativ frühen Phase der Sanierung die Möglichkeit, das NA-Potenzial für einen Standort abzuschätzen und einen zukünftigen Einsatz von MNA für den Standort zu prognostizieren.
Monitored Natural Attenuation (MNA) is regarded nowadays a cost effective alternative to traditional methods of groundwater remediation. If natural attenuation processes are taken into account, a detailed exploration of the site is required. This can lead to a prognosis of plume expansion in space and time supported by a numerical groundwater model. There are different possibilities to qualify and quantify natural attenuation processes in existing contaminant plumes. This thesis however, deals with the development of a spatial and temporal prognosis of plume formation at a site where a significant plume expansion has not taken place until now because of successful hydraulic source remediation by pump and treat techniques. The investigation site is located in Elsterwerda, in northeastern Germany. The site is contaminated with petroleum hydrocarbons due to a derailment of gasoline tank waggons. For the line of evidence of natural attenuation processes at the investigated site an analysis of terminal electron acceptors and electron donors in the aquifer system based on groundwater chemistry data was conducted. The reduction of the concentration of terminal electron acceptors is an indirect proof that organic compounds are biodegraded. It was possible to prove each process of the biodegradation sequence: Aerobic respiration, denitrification, Mn(III and IV)-reduction, Fe(III)-reduction, sulphate reduction and methanogenesis. To identify and quantify important natural attenuation processes, a series of laboratory experiments with site specific materials were performed. The emphasis of laboratory investigation was laid on column experiments. On the one hand the characteristics of biodegradable substances like BTEX in groundwater were examined, on the other hand the characteristics of persistant substances like MTBE and TBA were determined. The column experiments were performed in such a way that in the same experiment various processes of the biodegradation sequence could be simulated, and later each process could be quantified. The quantification of the processes shows that the efficiency of denitrification and sulphate reduction is much higher in comparison to the one of Mn(III and IV)-reduction and Fe(III)-reduction. In the last part of this thesis a groundwater flow and transport model using the software FEFLOW was developed to predict plume formation in space and time. For a simulation time of 100 years different scenarios were used to analyse the influence of dispersion, biodegradation, groundwater recharge and groundwater fluctuation concerning plume migration. As a result it could be demonstrated that not only the source of contamination but also the future zone of reaction during MNA is characterized by a significant potential of natural attenuation processes. If NA is applicable at the examined site it can be expected that plume expansion will be limited leading to a stagnant plume. In contrast to the possibilities of qualification and quantification of natural attenuation processes in already existing contaminant plumes the line of evidence in this thesis was realized in the source of the contamination in order to evaluate the potential of natural attenuation processes and to predict a future use of MNA in a relatively early phase of remediation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22803
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2495
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2198
Exam Date: 24-Jun-2009
Issue Date: 17-Jul-2009
Date Available: 17-Jul-2009
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): BTEX
Direct-Push
Modellierung
Natural Attenuation
Säulenversuche
BTEX
Column experiments
Direct push
Modeling
Natural attenuation
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