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