Exercises for the course: „Remediation of contaminated sites: Innovative groundwater remediation methods“ 1 Task 1: Risk analysis: Transport time„Contaminant source – Receptor“ in groundwater Processes: Convection + Adsorption = Advection Contaminant: Benzene (K OC = 38) Distance „Contaminant source – Receptor“: 1 km Hydraulic gradient: 0.01 Sediment: medium sand k f = 10 -3 m/s = 86.4 m/d Solid density s = 2.65 kg/l Total porosity = 0.35 Effective Porosiy = 0.2 Content of organic carbon = 0.01 Solution: 1. Darcy-law Darcy-velocity 2. effective Porosity mean travel velocity 3. Adsorption Retardation Particle velocity Time Task 2 – 5: Equilibrium mass partitioning of DNAPL-contaminant TCE in different phases At the aquifer basis in a aquitard wanne(?) a TCE-Pool has been formed. The extensions in x- and y-direction amount 10m and the hight 1m. Task 2: Calculate the TCE-mass within the pool (pure TCE-Phase). The aquifer consists of medium sand with a total porosity of 0.35. The density of TCE amounts 1.46 kg/l. Task 3: The TCE – Phase stays in solution equilibrium with groundwater. How much TCE can maximal dissolve into the water phase? The geometric dimensions of both adjacent phases are the same, namely 10m x 10m x 1m and the the porosity (= 0.35), too. The maximal solution of TCE in water amounts 1100 mg/l. Task 4: How much TCE can be adsorbed at the solid matrix? Solid density ρ s = 2.65 kg/l Organic carbon content of the sediment: f OC = 0.004 mg-OC/mg-sed K OC = 18.2 l/kg Hint: Calculate the mass of the solid matrix (medium sand) that is contained in the control volume. With this you can calculate the adsorbed TCE – mass. Task 5: Because of the high volatility (VOC) a large part of the TCE will be degass into the above-lying unsaturated zone. How much TCE will be degass into the gas phase ? Assume the same geometry as for the water phase. Henry-coefficient of TCE H TCE = 0.417
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Task 1: Risk analysis: Transport time„Contaminant source ...
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Exercises for the course: „Remediation of contaminated sites: Innovative groundwater remediation methods“
1
Task 1: Risk analysis: Transport time„Contaminant source – Receptor“ in groundwater
Processes: Convection + Adsorption = Advection
Contaminant: Benzene (KOC = 38)
Distance „Contaminant source – Receptor“: 1 km
Hydraulic gradient: 0.01
Sediment: medium sand kf = 10-3
m/s = 86.4 m/d
Solid density s= 2.65 kg/l
Total porosity = 0.35
Effective Porosiy = 0.2
Content of organic carbon = 0.01
Solution:
1. Darcy-law Darcy-velocity
2. effective Porosity mean travel velocity
3. Adsorption Retardation Particle velocity Time
Task 2 – 5: Equilibrium mass partitioning of DNAPL-contaminant TCE in different phases At the aquifer basis in a aquitard wanne(?) a TCE-Pool has been formed. The extensions in x-
and y-direction amount 10m and the hight 1m.
Task 2: Calculate the TCE-mass within the pool (pure TCE-Phase).
The aquifer consists of medium sand with a total porosity of 0.35.
The density of TCE amounts 1.46 kg/l.
Task 3: The TCE – Phase stays in solution equilibrium with groundwater. How much TCE can
maximal dissolve into the water phase?
The geometric dimensions of both adjacent phases are the same, namely 10m x 10m x 1m and the
the porosity (= 0.35), too. The maximal solution of TCE in water amounts 1100 mg/l.
Task 4: How much TCE can be adsorbed at the solid matrix?
Solid density ρs = 2.65 kg/l
Organic carbon content of the sediment: fOC = 0.004 mg-OC/mg-sed
KOC = 18.2 l/kg
Hint: Calculate the mass of the solid matrix (medium sand) that is contained in the control
volume. With this you can calculate the adsorbed TCE – mass.
Task 5: Because of the high volatility (VOC) a large part of the TCE will be degass into the
above-lying unsaturated zone. How much TCE will be degass into the gas phase ? Assume the
same geometry as for the water phase.
Henry-coefficient of TCE HTCE = 0.417
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Time scales
Task 6: How many pore volumes (= PV) have to be exchanged over the TCE-Pool, till the natural
groundwater flow has completely dissolved the TCE-Pool ?
(partitioning equilibrium is assumed !)
Task 7: What time (convective time scale for Pool-dissolution) will pass, if the mean velocity
v = 1m/d ?
Task 8: What time (= tp&t) is necessary to pump the contaminated water bulk (= 1 pore volume) with
5 pumping wells; each operates with a pumping rate of 100 m3/d ?
Task 9: How much kg TCE will be released diffusively by the TCE-Pool during 1 day?
Hint:
Diffusive mass flux: QTCE = AjTCE, Dimension: kg/d
Phase boundary: A = A
mass flux density (1. Fick’s law): jTCE = DTCECTCE /
Diffusion coefficient: DTCE = 1.0510-8
m2/s
Diffusion layer thickness: 1mm
Concentration difference: CTCE = 1100 mg/l
Task 10: How much TCE will be released diffusively during tp&t ?
Task 11: Which concentration corresponds to the released mass?
Time scales:
Zeitskala: Bioremdiation
Übungsaufgabe 12A: TCE (Aliphat) Eine TCE-Fahne hat eine transversale Ausdehnung von 10m und eine vertikale Ausdehnung von
1m. Die natürliche Grundwassergeschwindigkeit beträgt 1m/d. Die TCE-Concentration beträgt
500mg/l.
Stellen Sie die stöchiometrische Reaktionsgleichung für den aeroben Umsatz von TCE zu
CO2 und H2O auf!
Berechnen Sie den massenstöchiometrischen Faktor: f = O2Masse/TCE-Masse.
Übungsaufgabe 12B: Benzen (Aromat) a) Stellen Sie die stöchiometrische Reaktionsgleichung für den aeroben Umsatz von Benzen zu
CO2 und H2O auf!
b) Berechnen Sie den massenstöchiometrischen Faktor: f = O2Masse/Benzen-Masse.
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Übungsaufgabe 13: Es soll A) eine Sauerstoffgas-Injektion und B) eine Gelöst-
Sauerstoffinjektion über Injektionsbrunnen durchgeführt werden. Die Gelöst-Concentration
beträgt unter Atmosphärendruck (pO2 = 1atm) ca. 50 mg/l. Zeigen Sie mit dem Henry-Gesetz,
dass sich diese bei einer Injektionstiefe von 10m unter GW-Spiegel verdoppelt.
Übungsaufgabe 14: Um das Strömungsfeld nicht wesentlich zu stören, können Sie mit einer
Injektionsrate von 100 Liter/Tag arbeiten. Bestimmen Sie die Anzahl N und die Anordnung der
Injektionsbrunnen A) für eine Sauerstoffgasinjektion und B) für eine Gelöst-Gasinjektion.
Übungsaufgabe 15: Bestimmen Sie die optimale Mischstrecke LDisp, wenn die transversale
Dispersivity αT = 0.1m beträgt.
Lösung:
transversale Dispersionsstrecke: LT2
= DT⋅t, LT = 1m
transversaler Dispersionskoeffizient: DT
= αT⋅v
Übungsaufgabe 16: Bestimmen Sie die Ausdehnung des aeroben Reaktionsraumes für die in
situ-Sanierungsmassnahme, wenn das Sanierungsziel 25 mg/l beträgt. Der aerobe Bioabbau wird
durch eine Kinetik 1. Ordnung beschrieben; die Halbwertszeit von TCE beträgt 30 Tage.
Die Contaminantfahne befindet sich im steady-state.
Übungsaufgabe 17: Leiten Sie das hydarulische Kriterium für eine reaktive Wand ab!
Übungsaufgabe 18: Die gesamte Contaminantmasse MTCE soll in der reaktiven Wand /
abstromseitigen Reaktionsraum adsorbiert, chemisch umgewandelt bzw. biologisch abgebaut
werden. Leiten Sie dafür dass Massenbilanzkriterium ab!
Übungsaufgabe 19: Ein Trägergasstrom wird mittels 3 Air-sparging-Brunnen in den Aquifer
gepumpt und danach mit einer SVE-Einrichtung wieder abgesaugt. Der kontaminierte GW-
Körper besitzt ein Volumen von 35 m3
(= VP = Porenvolumen). Die Concentration von TCE
beträgt 500 mg/l und der dimensionslose Henry-Koeffizient ist 0.42.
Mit jedem Injektionsbrunnen können Sie 100 Liter Trägergas pro Stunde injizieren.
Wie lange dauert eine vollständige Sanierung mittels Stripping ?
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Übungsaufgabe 20
Sie sollen für einen Toluol-Schadensfall eine geeignete Sanierungsmaßnahme vorschlagen. Aus
einer Risikoanalyse wissen Sie, dass die NA-Prozesse nicht ausreichen, um das Sanierungsziel,
d.h. eine Zielconcentration von 1% der maximal lösbaren Concentration Cmax = 515 mg/L, am
Rezeptorstandort zu erreichen. Da Toluol gut aerob abbaubar ist, entscheiden Sie sich für eine
Sauerstoffinjektion, d.h. für eine reaktive Sauerstoffwand.
Die Ausdehnung der Contaminantfahne im Anstrom der Reaktiven Wand (RW) und die
hydraulischen Parameter sind:
Parameter der Contaminantfahne:
Breite der Fahne LF = 30 m
mittlere Länge der Fahne Lx = 200 m
Aquifermächtigkeit bF = 10 m
Porosity = 0.2
hydraul. Gradient i = 0.01
hydraul. Conductivity kf = 10-3
m/s
Parameter der Reaktiven Wand/ des Reaktionsraumes:
Breite der Wand BRW = 10 m
Länge des Reaktionsraumes LRW = 10 m
Aquifermächtigkeit bRW = 10 m
Porosity = 0.2
Im Abstrom der reaktiven Wand (Reaktionsraum) findet ein mikrobieller Abbau von Toluol statt.
In erster Näherung können Sie die Abbaukinetik als Kinetik 1. Ordnung beschreiben und
annehmen, dass nach einer Einlauf-Phase sich ein „steady-state“ einstellt. Aus der Vorlesung
„Bioremediation“ wissen Sie, dass die Ratenkonstante k1 proportional zur Elektronenakzeptor-
Concentration ist:
wOAk ][ 21 (*)
mit A = 0.4 L/(mg·Tag).
Welche mittlere Sauerstoffconcentration müssen Sie im Reaktionsraum gewährleisten, damit Ihr
Sanierungsziel erreicht wird?
Hinweis: Bestimmen Sie zuerst k1 und dann über die Formel (*) die mittlere
Sauerstoffconcentration.
Task 21: Pump and Treat: Best case scenario (Domenico & Schwarz D 20.1 und D20.2)
A) A contaminant plume covers a x-y-area of 41490 m2 and extends through the whole aquifer (B
= 16.7m). The porosity amounts 0.3. How long takes P&T with 3 pumping wells (Q = 0.13
m3/min) ?
B) If one assumes that the contaminant with a Kd-value of 0.2 L/kg will be adsorbed at the solid
matrix (s = 2.65 kg/L), to which factor changes the in A) calculated Clean-up-time ?
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Tasks with EXCEL-worksheets
Task 22: Risk-Analysis for the SAFIRA-test site Leuna
Sketch:
Parameter:
Benzene-concentration C0 = 1780 mg/L
effective porosity eff = 0.3
hydraulic conductivity kf = 0.001 m/s
Potential difference h = h1 – h2 = 0.1m
L = 100m
longitudinal dispersivity = 10m
Dg,eff = 3.8 10-6
m2/s
HBz = 0.24
LNAPL 0.5 m
z
x 50 m
100 m
Gasphase
0
10 m z = z2-z1
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Questions:
1. Which Benzene mass reaches the atmosphere at the third day?
(cross section: 10 m x 10 m)? Transport path: soil air – atmosphere –man.
You can calculate the flux density both analytically and numerically
(Finite Differences: j = - Dg,eff C/z, z = 0.01m; see sketch).
2. Which Benzene mass reaches the groundwater at the 10th day?
(groundwater body: 50m × 10m × 0.5 m)?
3. After how many days the MAK-Concentration (10 micro-g/L) is exceeded within the drinking
A) Charakterisieren Sie eine mögliche Contaminantverteilung im Querschnitt vom oberen GWL
bis zum Rupelton-Aquitard.
B) Welche Sanierungsmaßnahmen halten Sie für geeignet und welche für ungeeignet (jeweils 2)?
Begründen Sie Ihre Vorschläge!
C) Wichtig für Ihre Entscheidung, welche Sanierungsmaßnahme geeignet ist, ist die Zeit, die Sie
bis zum Eintreffen des Contaminants am Rezeptor zur Verfügung haben.
Führen Sie eine Risikoanalyse durch, indem Sie die Zeit „Quelle-Rezeptor“ berechnen (in
Tagen!):
A) für den oberen GWL und
B) für die BK.
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Verwenden Sie dazu den Isohypsenplan (siehe Abb. 2)!
Zur Vereinfachung nehmen Sie einen konstanten hydraulische Gradienten an. Diesen berechnen
Sie an der Bilanzebene!
D) Ihre in B) aufgezählten Sanierungsmaßnahmen müssen die notwendige Bedingung des
stöchiometrischen Massenumsatzes erfüllen (ankommende Contaminantfracht muss zu x%
entsprechend Ihrem Sanierungsziel umgesetzt werden). Folglich benötigen Sie zur
Dimensionierung Ihrer Sanierungsmaßnahme die Contaminantfracht.
Berechnen Sie die spezifische Contaminantfracht (in mg/Tage) für die in Abbildung 1
dargestellte Bilanzebene entlang der Hauptstrombahn (durchflossene Fläche A = 1 m2)
A) für den oberen GWL und
B) für die BK.
E) Die PCE-Kontamination in der BK-Schicht ist um einen Faktor 15 höher. Leitet sich daraus
auch ein 15mal höheres Risiko für den Auensee ab. Begründen Sie Ihre Antwort!
Parmeter Contaminant: PCE
Log(Koc) = 2.42 (Dimension von Koc [kg/L])
A = 1 m2,
Abstand Quelle-Rezeptor = 500 m
Feststoffdichte s = 2.5 kg/L
Tabelle 1: Parmeter für oberen GWL und BK-Schicht.
PCE [mg/L] kf [m/s] fOC Tot Porosity Eff. Porosity
Oberer GWL 10 3 × 103
2.46 × 103
0.35 0.3
BK-Schicht 150 5 × 106
1.62 × 102
0.4 0.3
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Abbildung 2 Isohypsenplan für Schadensfall „Auensee-Leipzig“:
Blauer Pfeil entspricht Hauptstrombahn.
Rote dicke Linie: Bilanzebene
Maßstab: schwarzer Pfeil (obere linke Ecke) entspricht 50 m in der Realität.
Übungsaufgabe 29: Case Study 2 „Bitterfeld-Bayer-Riegel“: P&T – 4-Brunnen-Gallerie
Im Anstrom einer Investorfläche (Bayer-AG) auf dem ehemaligen Gelände des
Chemiekombinates Bitterfeld soll der Contaminantstrom (Concentration ca. 1000 mg/L)
hydraulisch mit einer 4-Brunnen-Gallerie abgefangen werden. Die Contaminantconcentrationen
in den Beobachtungsbrunnen P4 (700,0) und P5(700,1000) (alle Längenangaben in Meter!) sind
unterhalb 1 mg/L.
Die Koordinaten der Eckpunkte der Investorfläche sind: (0,0), (0,1000), (-1000,0), (-1000,1000).
Bestimmen sie die x- und y-Koordinaten jedes Pumpbrunnens und die Pumpleistung mit Hilfe
des Four-well-Capture-Zone Diagramms (siehe Vorlesungsskript). Der Abstand der Brunnen
beträgt 100 m.
Im Anstrom der Investorfläche haben Sie 3 Beobachtungsbrunnen, P1, P2, P3, zur Verfügung.
Sie messen die folgenden Grundwasserhöhen in Bezug zur Geländeoberkante (!): h1 = 5 m, h2 =
5 m, h3 = 4.132 m. Die Koordinaten der Beobachtungsbrunnen sind: P1(250,200), P2(250,800),
P3(500,500).
Die Grundwassergeschwindigkeit bestimmen Sie mit Hilfe des hydraulischen Dreiecks.
Die hydraulischen Eigenschaften des Aquifers sind:
Mächtigkeit 10 m
Effektive Porosity 0.3
Hydraulische Conductivity 0.001 m/s.
Naherholungsgebie
500
50 m m
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Task 30: Case Study 3 "Dimensioning of modular reactive walls" For groundwater contamination, caused by (1,2)-di-chlorobenzene (DCB: 2 Cl-atoms substituting
two hydrogen atoms), you have to dimension a modular, two-step reactive wall. The length of the
lease area is L. You know that with increasing degree of chlorination aerobic degradation
becomes very slow.
Therefore, you decide to carry out a reductive dechlorination of DCB to mono-chlorobenzene (=
MCB) using a reactive iron wall. Down-gradient, directly into the effluent from the iron wall, you
inject oxygen (reactive oxygen wall), since MCB is well aerobically degradable and can be
mineralized completely to CO2 and H2O. For simplicity, you can assume that the oxygen wall
(aerobic reaction zone) is connected directly to the reactive iron wall!
Hint: Make yourself clear the geometry with a sketch, before you start your calculation!
The steady-state solution, you must apply for each reactive wall separately, where the left edge of
each wall has always to be chosen as x = 0 (This is also logical!).
Parameters: Length of the lease area L = 500 m
Width of the lease area = 10 m
More of the reactive iron wall = 10m
Width of the reactive iron wall = 10 m
Aquifer thickness = 15 m
Contaminant plume width = 10 m
Groundwater velocity located upstream of the iron wall u = 1 m / day
DCB concentration located upstream: CDCB(x = 0) = 140 mg / L
Porosity of the aquifer = 0.3
Porosity of the iron wall = 0.4
Molar mass of chlorine is 35 g / mol
A) The reactivity of the reactive iron wall (rate constant kIron [1/day]?) should be dimensioned
in such a manner that 90% of the influent DCB will be de-chlorinated. Use the steady-state
solution. In the application of the hydraulic criterion (equal sign!) use the relationship between
volumetric flux density and flow velocity.
Exercises for the course: „Remediation of contaminated sites: Innovative groundwater remediation methods“
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B) How long is the aerobic reaction zone?
The effluent MCB-contaminant load (= mass flux =QMCB = CMCB Qw, convective approach)
from the iron wall has to be completely degraded within the lease area. What oxygen mass per
unit time (= QO2) you have to inject?
Hints:
1. The water flow rate Qw, you can easily calculate.
2. To calculate CMCB (MCB-concentration at the output of the iron wall that is the input
concentration of the oxygen wall), you first have to calculate the reductively dechlorinated DCB-
mols per liter and then to take into account the stoichiometry of the reductive dechlorination:
x Mole DCB x Mole MCB!
3. First, establish the stoichiometric equation for aerobic degradation of MCB and calculate the
stoichiometric factor: fO2 = O2-mass / MCB-mass, so that you can meet the required
stoichiometry condition for the complete degradation, i.e. MCB each molecule gets x oxygen
molecules!
C) The reactivity of the downstream aerobic reaction zone is kO2 = 6.0 103
1/day. What goal
concentration you reach at the end of the aerobic reaction zone, i.e. at the end of the lease area?
Task 31 Case-Study 4: Dimensioning of modular Reactive Walls
GAC-Wall/ORC-Wall
A) GAC-Wand
A DNAPL pool consisting of PCE, TCE and DCE is a continuous source of groundwater
contamination. The contaminant plume should be cleaned up through a 2-stage modular reactive
wall. The reactive walls extend over the entire aquifer thickness.
In a first step a reactive adsorption wall consisting of granular activated carbon (GAC) should
bind the chlorinated aliphatics. The width of the GAC-wall is adjusted to the width of the
contaminant plume. The flow rate of groundwater is small compared to the adsorption rate, so
that you can assume partitioning equilibrium between the aqueous phase and adsorptive-bound
chlorinated aliphatics. The technical Kd values (L/kg) of activated carbon are:
Log(Kd,PCE) = 2.19
Log(Kd,TCE) = 2.97
Log(Kd,DCE) = 0.046
Determine the PCE, TCE, and DCE concentration at the exit of the GAC-wall!
Note: Make yourself clear the geometry with a sketch before you start your calculation!
Because of the mass balance, the inflowing contaminant concentration in
iwC , (mg/L) is equal to the
sum of adsorptive-bound contaminant concentration iadsC , (mg/kg) and outflowing contaminant
concentration out
iwC , (mg/L) (mg/L) (i = PCE, TCE, DCE)! Think about between what
concentrations partitioning equilibrium (PartEqu) holds. The contaminant flux always needs a
certain amount of time (relaxation time) before PartEqu is establisehd. In the mass balance
equation, all concentrations must have the same dimension, namely mg/L. Therefore, you must
multiply iadsC , by a factor b/, where b is the GAC-bulk density and the porosity.
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B) ORC-Wall
You know that the sorption capacity decreases with the degree of chlorination. Consequently,
most of the DCE will pass the GAC-wall. However, since the reactivity of aerobic microbial
degradation increases with decreasing degree of chlorination, you install directly to the GAC-
wall, a ORC-wall (ORC-oxygen releasing compound). Dimension the ORC wall so that the
released oxygen per day is sufficient for complete aerobic degradation of DCE, i.e. which
oxygen mass must release the ORC-wall per day?
Parameters:
Width of the GAC-Wall = 12 m
Width of the ORC-Wand = 12 m
Width of the contaminant plume = 12 m
Aquifer thickness = 13 m
Groundwater velocity upstream of the GAC-Wall u = 1 m/Tag