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Ausgewählte Ergebnisse aus dem BMBF-Projekt ‚ SiWaP ’. Darstellung der wesentlichen Ergebnisse der Lysimeter- und Laboruntersuchungen zum ‚Quellterm’ und ‚Transportterm’. Zweigeteiltes Konzept ‚ SiWaP ’. Susset, 2004. Quellterm-Lysimeterbefunde. - PowerPoint PPT Presentation
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Bernd Susset
S chadsto ffkonzentra tion
"Quellstärke" Laboruntersuchungen:
E xtraktion, E lution Lys im eterversuche
“Transportprognose“ M odellie rung:
A nalytische und num erische Methoden
“verba l-argum entativ“
G rundw asser
O rt der B eurte ilung
z.B
. S
äu
len
ve
rsu
ch
e
Ly
sim
ete
r
Fmax : m aximaler S chadstoff- fluß (N ichtg leichgew icht)
Cmax :
m aximale S chadstoff-konz entration (Gleichgew icht)
Sic
ke
rstr
ec
ke
t1 t2
t3
t4
Abbau
Abbau + be -vorzugte Weg -sam keiten und /oder partike l-gebundener T ransport
Retardation
S chadsto ffkonzentra tion
"Quellstärke" Laboruntersuchungen:
E xtraktion, E lution Lys im eterversuche
“Transportprognose“ M odellie rung:
A nalytische und num erische Methoden
“verba l-argum entativ“
G rundw asser
O rt der B eurte ilung
z.B
. S
äu
len
ve
rsu
ch
e
Ly
sim
ete
r
Fmax : m aximaler S chadstoff- fluß (N ichtg leichgew icht)
Cmax :
m aximale S chadstoff-konz entration (Gleichgew icht)
Sic
ke
rstr
ec
ke
t1 t2
t3
t4
Abbau
Abbau + be -vorzugte Weg -sam keiten und /oder partike l-gebundener T ransport
Retardation
Ort der Quellstärkenbetrachtung
Ort der Beurteilung
f
Ausgewählte Ergebnisse aus dem BMBF-Projekt ‚SiWaP’
Darstellung der wesentlichen Ergebnisse der Lysimeter- und Laboruntersuchungen zum ‚Quellterm’ und ‚Transportterm’
Zweigeteiltes Konzept ‚SiWaP’
Schadstoffkonzentration
"Quellstärke" Laboruntersuchungen:
Extraktion, Elution Lysimeterversuche
“Transportprognose“ M odellierung:
Analytische und numerische Methoden
“verbal-argumentativ“
Grundwasser
Ort der Beurteilung
z.B
. S
äu
len
ve
rsu
ch
e
Ly
sim
ete
r
Fmax : maximaler Schadstoff- fluß (Nichtgleichgewicht)
Cmax :
maximale Schadstoff-konzentration (Gleichgewicht)
Sic
ke
rstr
ec
ke
t1 t2
t3
t4
Abbau
Abbau + be-vorzugte Weg-samkeiten und/oder partikel-gebundener T ransport
Retardation
Susset, 2004
1,5 m
Füllkies
Untersuchungs-materialien
Filtersand
Filterkies
Ø 1,4 m, F 1,54 m²
Lochblech(Loch- = 5 mm)
SickerwassertrichterSickerwasserauslassüber Edelstahl-Wellschlauch
Quellterm-LysimeterbefundeFreilandlysimeter des Landesumweltamtes Nordrhein-Westfalen
Susset, 2003
0,014(LAWA, 2004)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
WF [l/kg]
Ku
pfe
r [m
g/l]
L 5 RCL 0/32L 9 RM RCL 0/4L 22 RCL 0/32Hintergrund (L17 Kies)
250 (LAWA, 2004)0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
WF [L/kg]
Ch
lori
d [
mg
/l]
L 1 HMVA 0/10L 8 RM HMVA 0/4L 16 HMVA 0/32
Quellterm: “Endliche Quellen”Abklingverhalten von Salzen und mobilen Metallen bzw. deren mobilen Anteile
Bauschutte/BaustoffeHausmüllverbrennungsaschen
Bauschutte/Baustoffe
0,035 (LAWA 2004)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
WF [l/kg]
Mo
lyb
dä
n [
mg
/l] L 5 RCL 0/32
L 9 RM RCL 0/4L 22 RCL 0/32Hintergrund (L17 Kies)
Susset, 2006
Quellterm: “Quasi unendliche Quellen“ PAK und hochsorptive Metalle bzw. deren schwer mobilisierbare Anteile
0,005 (LAWA, 2004)
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
WF [L/kg]
An
tim
on
[m
g/L
] L 1 HMVA 0/10L 8 RM HMVA 0/4L 16 HMVA 0/32Hintergrund (L17 Kies)
Bauschutte/BaustoffeHausmüllverbrennungsaschen
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
0 50 100 150 200 250 300 350
Zeit [Tage]S
icke
rwas
ser-
Men
ge
[L]
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
Cw
, SiW
a [m
g l
-1]
SickerwasserzuflußSumme 15 EPA PAK
Bauschutt
Susset, 2006
0,005 (LAWA, 2004)0,005
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8
WF [l/kg]
An
tim
on
[m
g/l
] L 5 RCL 0/32L 9 RM RCL 0/4L 22 RCL 0/32
Labormethoden zur SiWaP: “Schütteltests”Elution im “Gleichgewicht“ (z.B. nach DIN EN 12457-1 bzw. -4)
dry soil sample;100g
1L deion. water; shaker
analyse
zentrifugation(< 10FNU)
filtration(Polycarbonatfilter;
5µm)24h
Grathwohl & Susset, 2003
“Vereinzelung“ der Körner (erhöhte Kontaktflächen) erhöhte Wasser/Feststoffverhältnisse 10:1 bzw. 2:1 versus 1:5 “im Feld“ Artefakte durch Zentrifugation, Filtersorption, Suspension nur ein Konzentrationswert; keine Vorhersage der Langzeitfreisetzung
Labormethoden zur SiWaP: Säulenversuche“Durchlaufen” von Gleichgewichts- bzw. Ungleichgewichtszuständen
Grathwohl & Susset, 2003
Trübung/Emulsionen: nur zu Beginn, dann Werte wie In-situSeparationsschritt (Zentrifugation, Filtration) entfällt, da Eigenfiltrationsprozess Langzeitprognose durch Verfolgung der Konzentrationsentwicklung im Eluat Übertragung der Konzentrationen auf In-situ-Bedingungen: - bei Gleichgewicht (GG) direkt (“worst case“)- bei Ungleichgewicht (UG) durch Umrechnung max. Frachten (analog Trogversuch)
zu geringe Eluat-Mengen bei MBSE!
Absolute normierte Abweichungen der Eluatkonzentrationen bei Doppel- und Vierfach-bestimmungen, material- und stoffübergreifend arithmetisch gemittelt (3 Baustoffe, 2 Alt-
lastenböden, 3 Hausmüllverbrennungsaschen,1 Hochofenstückschlacke)
Reproduzierbarkeit und Einsetzbarkeit von Laborelutionsmethoden
zu geringe Eluatmengen für “normierbare“ PAK-Analytik
Susset, 2006
Qualitatives Modell zur Übertragbarkeitvon Eluatkonzentrationen
QuotientenC10:1/C2:1
C10:1/Cw,GG
C2:1/Cw,GG
1
Stoffverteilung Feststoff/Wasser: Kd = Cs/ Cw,GG [L kg-1]
bei niedrigen Kd-Werten und “endlichem Schadstoffreservoir“Auswaschung gut wasserlöslicher Stoffe
(z.B Cl, Na,, z. T. Metalle)
Erreichung der Gleichgewichts- bzw. Maximalkonzentration im Wasser
Kd >> 100 L Kg-1 für hydrophobe organischeStoffe (Modelle nach Grathwohl, 1998)
“Sorptivität““Wasserlöslichkeit“
niedrige hohemittlere
0,5
bei hohen Kd-Werten und “quasi unendlichem Schadstoffreservoir“
oder max. Löslichkeiten von Salzen (hohe Sorptionskapazität des Materials und/oder
hohe Sorptivität des Stoffes, z. B. PAK, z. T. Metalle; großes Reservoir leichtlöslicher Salze )
“Verdünnung“
Susset, 2004
Salze
Übertragbarkeit (ÜT) Säule/Freiland (F)-Lysimeter (Sickerwasser)
Fall I: Direkte Übertragung: “Messung“ der Sickerwasserkonzentration für viele relevante Stoffe bei bekannten W/F möglich
Susset, 2006
Salze
Übertragbarkeit (ÜT) Säule/Freiland (F)-Lysimeter (Sickerwasser)
Fall I: Direkte Übertragung: “Messung“ der Sickerwasserkonzentration für viele relevante Stoffe bei bekannten W/F möglich
Susset, 2006
ÜT Säule/F-Lysimeter (Sickerwasser)Fall I: Direkte Übertragung: “Messung“ der Sickerwasserkonzentration für viele relevante Stoffe bei bekannten W/F möglich
mobile Metalle bzw. mobile Anteile (z. B. DOC-komplexiert)
Susset, 2006
Fall II: Maximalkonzentration: “Messung“ maximal erreichbarer Sickerwasser-konzentration - Konzentrationsgang im Säulenversuch ist “Einhüllende“
PAK
ÜT Säule/F-Lysimeter (Sickerwasser)
Susset, 2006
Fall II: Maximalkonzentration: “Messung“ maximal erreichbarer Sickerwasser-konzentration - Konzentrationsgang im Säulenversuch ist “Einhüllende“
PAK
ÜT Säule/F-Lysimeter (Sickerwasser)
Susset, 2006
Fall III: Systematisch abweichende Werte: Unterschiedliche Milieurandbedingungen mit praxisnahen Elutionsversuchen nicht abzubilden!
Sommermonate2003 2004 2005
Sulfat
ÜT Säule/F-Lysimeter (Sickerwasser)
Susset, 2006
ÜT Säule/F-Lysimeter (Sickerwasser)Fall III: Systematisch abweichende Werte: Anfänglich – aber nur kurzfristig - erhöhte DOC-/Metall-Mobilisierung bei Elutionsversuchen
Susset, 2006
Bewertung von LaborversuchsergebnissenZeitskalen bei der Auswaschung von Chlorid
aus einer 50 cm-Schicht Hausmüllverbrennungsasche
Susset, 2006
9570
2830
1344331140
1316750
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
WF [L/kg]
Ch
lori
d [
mg
/L]
L 8 RM HMVA 0/410/1-Schütteltest2/1-SchütteltestSäulenversuch
Lysimeter: 1 JahrSäulenversuch:3Tage
3 Jahre7 Tage
15 Jahre32 Tage
C10:1/C2:1 1/5
Transportprognose, Zentralprojekte: Lysimeter FZ Jülich (RM über Lößmonolithen), GSF München (RM über Sand),
Transportvarianten des LUA NRW (RC-Baustoff 0/10 über Löß- bzw. Sandmonolithen)
Abbildung aus Vereecken et al. (2003)
„Quellterm/Transportterm“ Chlorid und Sulfat
WF: Wasser-/Feststoffverhältnis = (Sickerwasserneubildungsrate * Zeit) / (Mächtigkeit * Trockendichte)
Susset, 2006
„Quellterm/Transportterm“ 15 EPA PAK
Susset, 2006
„Quellterm/Transportterm“Kupfer und Vanadium
Susset, 2006
0 10 20 30 40 500
20406080
100120140160180200220240
Tiefenprofil nach 3 Jahren in Quelle (RM Bauschutt) und Transportzone (1,2 m Sand, Großlysimeter der GSF München)
Kupfer-Mobilisierung aus Quelle und Verlagerung in Transportzone?
Daten: GSF-Bericht 01/06, D. Klotz, GSF München
Tiefe [cm]
Natürlicher GehaltTransportschicht3,7 ± 1,9 mg/kg (n=3)
Anfangsgehalt RM Bauschutt29 ± 27 mg/kg (n=6)
Kupfer-Gehalt im KW-Aufschluss [mg/kgTS]
A sandiger Schluff
B Mittelsande
C Mittelsande
bis 25 cm
bis 60 cm
bis 200 cm
Transport-schicht
(händischer Aufbau)
abgestufter Sandfilter
QuelleRM Bauschutt
DeckschichtQuarzsand
(gS)
(n=3)
Susset, 2006
0 10 20 30 40 50 60 70 800
20406080
100120140160180200220240
Nickel-Mobilisierung aus Quelle und Verlagerung in Transportzone?
Daten: GSF-Bericht 01/06, D. Klotz, GSF München
Tiefe [cm]
Nickel-Gehalt im KW-Aufschluss [mg/kgTS]
Natürlicher GehaltTransportschicht15 ± 10 mg/kg (n=3)
A sandiger Schluff
B Mittelsande
C Mittelsande
bis 25 cm
bis 60 cm
bis 200 cm
Transport-schicht
(händischer Aufbau)
abgestufter Sandfilter
QuelleRM Bauschutt
DeckschichtQuarzsand
(gS)
Anfangsgehalt RM MV68 ± 12,5 mg/kg (n=6)
Tiefenprofil nach 3 Jahren in Quelle (RM Hausmüllverbrennungsasche) und Transportzone (1,2 m Sand, Großlysimeter der GSF München)
(n=3)
Susset, 2006