Prognose der Sorptionskinetik organischer Schadstoffe in heterogenem Aquifermaterial

Kurzfassung

Dieser Beitrag stellt ein Modell zur Simulation kinetischer Sorptionsprozesse in heterogenen, wassergesättigten Lockergesteinen vor. Da diese Prozesse maßgeblich für die hohe Persistenz vieler organischer Schadstoffe im Untergrund verantwortlich sind, besteht ein besonderes, praxisbezogenes Interesse an zuverlässigen Modellvorhersagen z. B. hinsichtlich der Planung effizienter Sanierungsmethoden. Die hier verwendete Modellvorstellung beschreibt die Sorptionskinetik als retardierte Diffusion im Intrapartikel-Porenraum und berücksichtigt insbesondere die sedimentologische und petrographische Zusammensetzung des Gesteins und die daraus resultierenden, unterschiedlichen Sorptionsparameter. Damit wird experimentellen Befunden zu Sorptions-/Desorptionsprozessen aus Laborversuchen Rechnung getragen. Zur Lösung der Modellgleichungen wird ein Finite-Differenzen-Verfahren eingesetzt, das für praktische Anwendungen relevante Kriterien (Stoffbilanz, flexible Wahl der Randbedingungen, einfache Bedienbarkeit) beachtet. In den beispielhaft gezeigten Modellsimulationen wird insbesondere der Einfluss der Aquiferheterogenität (lithologische Zusammensetzung, Korngrößenverteilung) auf die Sorptions- bzw. Desorptionskinetik organischer Schadstoffe verdeutlicht. Der Modellansatz erlaubt zudem eine Kopplung kinetischer Sorptions- und Desorptionsprozesse mit mehrdimensionalen Stofftransportmodellen.

Abstract

A model for the simulation of kinetic sorption processes in heterogeneous aquifer material is presented. Sorption kinetics is responsible for the long persistence of many organic contaminants in the subsurface. Therefore, reliable model predictions of these processes are of major importance concerning, for instance, the design of efficient remediation strategies. The modeling approach presented here recognizes sorption kinetics as retarded diffusion within the intra-particle pore space and, in particular, takes into account the sedimentological and petrographical composition of the aquifer material. This is in accordance with results from laboratory experiments quantifying sorption/desorption processes. For solving the model equations a finite-difference scheme is applied which incorporates several features proven to be relevant in practical model applications (mass balance, flexible choice of boundary conditions, easy handling). The simulation results shown here focus on the impact of aquifer heterogeneity (lithological composition, grain size distribution) on sorption and desorption kinetics of organic contaminants. Furthermore, this approach can be straightforwardly coupled to existing software for simulating multi-dimensional solute transport.