DE102009038017A1

DE102009038017A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs

Info

Publication number: DE102009038017A1
Application number: DE200910038017
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. Ing. Nitsche; Jochen Prof. Großmann
Original assignee: Bgd Boden und Grundwasserlabor Dresden GmbH; Bgd Boden- und Grundwasserlabor Dresden GmbH; Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Current assignee: Bgd Ecosax De GmbH; Gicon Grossmann Ingenieur Consult GmbH
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: DE102009038017B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs, bei dem der mikrobielle Abbau 1. Ordnung in einem System unterschiedlicher, in Reihe intermittierend betriebener Reaktoren unter naturnahen Bedingungen quantifiziert wird. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchströmt eine zu untersuchende Wasserprobe nacheinander mehrere in Reihe geschaltete, offen oder geschlossen, intermittierend betriebene, mit dem zu untersuchenden fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllte Reaktoren n zum Austausch jeweils eines Porenvolumens nach Einhaltung einer Stillstandzeit von unten nach oben. Während des Austausches oder auch nach dem Austausch der Porenvolumen werden Porenwasserproben entnommen, welche auf Milieukennwerte und Stoffkonzentrationen analysiert werden, wobei die Stillstandzeit zwischen den Porenvolumenaustauschen so bemessen wird, dass die Porenwasserproben einen signifikanten Konzentrationsunterschied zwischen zwei Zeitschriften an den zu untersuchenden Inhaltsstoffen in den entnommenen Porenwasserproben aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs, bei dem der mikrobielle Abbau 1. Ordnung in einem System unterschiedlicher, in Reihe intermittierend betriebener Reaktoren unter naturnahen Bedingungen quantifiziert wird.
Die Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung ist eine grundlegende Voraussetzung für eine belastbare Prognose der im Boden- und Grundwasserbereich ablaufenden reaktiven Stofftransportprozesse. Unter anderem sind diese für die Prognose der Fahnenausbreitung aus organischen Stoffquellen in Zeit und Raum, für die Quantifizierung des Selbstreinigungsvermögens in Boden- und Grundwasserbereichen („natural attenuation”), für die Planung und Optimierung von in-situ-Sanierungsmaßnahmen („enhanced natural attenuation”) sowie für die Planung und Überprüfung des „monitored natural attenuation” bedeutsam.
Der mikrobielle Abbau organischer Verbindungen lässt sich typischerweise in drei Abbauphasen unterteilen:

1. In der ersten Phase (Latenzzeit) findet eine Anpassung der Mikroorganismen statt. Die Latenzzeit verkürzt sich, wenn reale Proben aus dem zu untersuchenden Bereich, z. B. Boden- bzw. Grundwasserbereich, eingesetzt werden.
2. In der zweiten Phase ist der mikrobielle Abbau proportional zum Vorrat eines Substrates und somit nicht linear. Anhand der Steigung der e-Funktion kann die Abbaurate ermittelt werden.
3. In der dritten Phase verlangsamt sich der mikrobielle Abbau, wenn ein bestimmter Vorrat an Substrat unterschritten wird.

Bei Verwendung einer mikrobiellen Abbaufunktion 0. Ordnung werden die oben benannten 3 Phasen gemittelt. Daraus folgt, dass mikrobielle Abbauleistungen unterschätzt werden und dadurch bedingt zum Beispiel eine aus einer organischen Stoffquelle resultierende Fahne in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung bei der Prognose überschätzt wird.
Dementsprechend werden die mikrobiellen Abbauvorgänge überwiegend mit der Abbaukinetik 1. Ordnung beschrieben, da hier im Gegensatz zur Kinetik 0. Ordnung die Berücksichtigung der Abhängigkeit der Stoffumsatzrate von der Stoffkonzentration möglich ist.
Die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten von organischen Verbindungen ist eine Aufgabenstellung, die sich aus den oben benannten Anwendungsbereichen ergibt. Die für eine Übertragbarkeit der im Labormaßstab ermittelten mikrobiellen Abbauraten in den Feldmaßstab zu beachtenden Maßstabsfaktoren werden vor allem durch folgende Randbedingungen bestimmt:

– der für den mikrobiellen Abbau organischer Stoffe im Feld zur Verfügung stehenden Zeit,
– der im Feldbereich vorhandenen Zonierung der Milieubedingungen (aerob-anoxisch-anaerob) mit der damit im Zusammenhang stehenden Zonierung der in situ Mikroflora entsprechend der Abbaustufen und daraus resultierenden Metaboliten für das hydraulisch wirksame und gering wirksame Porenvolumen.

Seit Jahrzehnten wird an einer belastbaren Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten im Labormaßstab und deren Übertragung in den Feldmaßstab gearbeitet. Dabei wurden vor allem Batchversuche, aber auch Säulenversuche verwendet, bei denen die oben benannten Randbedingungen nur unzureichend bzw. nicht berücksichtigt wurden. So wurden zum Beispiel Batchversuche durchgeführt, die eine Zonierung, wie oben dargestellt, nicht ermöglichte bzw. ermöglicht. Demgegenüber können sich in Säulenversuchen die oben benannten Zonierungen einstellen, jedoch die erforderliche Aufenthaltszeit nur in den Fällen, in denen ein guter bis sehr guter mikrobieller Abbau erfolgt, erreicht werden. Hinzu kommt, dass bei allen Laborversuchen, bei denen das Porenwasser ständig strömt, vor allem der hydraulisch wirksame Porenwasseranteil erfasst wird. Die im hydraulisch gering wirksamen Porenwasseranteil stattfindenden mikrobiellen Abbauprozesse werden dadurch unzureichend erfasst bzw. nicht den realen Bedingungen entsprechend beeinflusst. Diese resultiert daraus, dass die oben beschriebene Zonierung im hydraulisch wirksamen nicht mit der im hydraulisch gering wirksamen Porenvolumen identisch ist.
Der gesamte Porenvolumenanteil n wird in einen hydraulisch wirksamen (n_m) und einen hydraulisch nicht bzw. nur geringfügig wirksamen Porositätsanteil (n_im) unterteilt. Der hydraulisch wirksame Porositätsanteil (auch als durchströmte Porosität oder durchflusswirksamer Hohlraumanteil bezeichnet) ist ein Basisparameter für die Berechnung der Porenwassergeschwindigkeit. Die hydraulisch wirksame Porosität ist nicht wie die Gesamtporosität ein bodentypischer Parameter (je nach Bodenart und Lagerungsdichte), sondern ist zusätzlich von den wirkenden hydraulischen Bedingungen abhängig. Bei Böden bzw. Grundwasserleitern mit geringer Ungleichförmigkeit (homogene Zusammensetzung) konnte nachgewiesen werden, dass unter diesen Randbedingungen davon auszugehen ist, dass der hydraulisch nicht bzw. nur geringfügig wirksame Porositätsanteil (n_im) ca. 10% bis 20% der Gesamtporosität beträgt (n_im = 0,1 n bis 0,2 n). Bei Böden bzw. Grundwasserleitern mit erhöhter bis großer Ungleichförmigkeit (erhöht inhomogene bis stark inhomogene Zusammensetzung) ist n_im > 0,1 n bis 0,2 n ist. Dabei ist davon auszugehen, dass der hydraulisch gering wirksame Porositätsanteil zwar selbst hydraulisch durchlässig ist, jedoch im Vergleich zum hydraulisch wirksamen Anteil (n_m) als hydraulisch geringfügig wirksam bis unwirksam einzuschätzen ist. In diesen Fällen kann n_im nur durch einen Tracerversuch ermittelt werden (WP G 01 N/244 765 8).
Der gegenwärtige Stand der Technik ist folgenden zwei Literaturstellen zu entnehmen

1. Handlungsempfehlungen mit Methodensammlung „Natürliche Stoffminderung bei der Sanierung von Altlasten" des BMBF-Förderschwerpunktes KORA; DECHEMA e. V., Forschungs- und Projektkoordination, Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main, 2008; ISBN 978-3-89746-092-0 und
2. Materialienband des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie „Laborative Untersuchungen zur Sickerwasserprognose im Rahmen von Detailuntersuchungen”, 2004 (http://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/download/boden/Sickerwasserprognose01.pdf)

In 1. wird ein Überblick über die gegenwärtig im Bereich der Forschung und Anwendung verwendeten Verfahren und Vorrichtungen für die Ermittlung mikrobieller Abbauraten im Labormaßstab gegeben. Dementsprechend werden Batch- und Säulenversuche mit den bereits oben beschriebenen Defiziten verwendet, die eine Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung nicht ermöglichen.
Das in 2. beschriebene Verfahren mit Vorrichtung ermöglicht ebenfalls keine Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung. Obwohl es einen intermittierenden Betrieb eines Reaktors beinhaltet, können jedoch die darin stattfindenden Prozesse nicht örtlich und zeitlich diskretisiert ausgewertet werden. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens mit Vorrichtung besteht darin, dass eine eindeutige und rückwirkungsfreie Abgrenzung der einzelnen Reaktionszonen nicht möglich ist.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs unter naturnahen Bedingungen ermöglichen. Die naturnahen Bedingungen betreffen neben der Einhaltung der Temperaturbedingungen vor allem die für den mikrobiellen Abbau organischer Stoffe unter realen Bedingungen (in situ) zur Verfügung stehenden Zeit, die unter realen Bedingungen (in situ) vorhandene Zonierung der Milieubedingungen (aerob-anoxisch-anaerob) mit der damit im Zusammenhang stehenden Zonierung der in-situ-Mikroorganismenflora entsprechend der Abbaustufen und den dabei entstehenden Metaboliten im hydraulisch wirksamen und gering wirksamen Porenvolumen sowie eine eindeutige und rückwirkungsfreie Abgrenzung von Reaktionszonen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs gelöst, bei dem eine zu untersuchende Wasserprobe nacheinander mehrere in Reihe geschaltete, offen oder geschlossen betriebene, intermittierend betriebene, mit dem zu untersuchenden fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllte Reaktoren n zum Austausch jeweils eines Porenvolumens nach Einhaltung einer Stillstandzeit von unten nach oben durchströmt, und während des Austausches oder nach dem Austausch des Porenvolumens Porenwasserproben entnommen werden, welche auf Milieukennwerte und Stoffkonzentrationen analysiert werden, wobei die Stillstandszeit zwischen den Porenvolumenaustauschen so bemessen wird, dass die Porenwasserproben einen signifikanten Konzentrationsunterschied zwischen zwei Zeitschritten an den zu untersuchenden Inhaltsstoffen in den entnommenen Porenwasserproben aufweisen.
Die zu untersuchende Wasserprobe durchströmt in der Austauschphase nacheinander mehrere in Reihe geschaltete Reaktoren n. Diese können offen oder geschlossen betrieben werden. Vorteilhaft besteht die zu untersuchende Wasserprobe aus kontaminiertem Grundwasser. Vorteilhaft wird die zu untersuchende Wasserprobe mit Elektronenakzeptoren, bevorzugt mit Nitrat, aufgestockt.
Die Reaktoren sind mit fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medien gefüllt. Vorzugsweise enthalten die Reaktoren gering kontaminiertes Substrat eines Bodens oder Grundwasserleiters.
Das poröse Medium kann in natürlicher oder gestörter Lagerung in die Reaktoren eingefüllt sein. Unter gestörter Lagerung ist hierbei die Füllung mit vorher entnommenem porösem Medium in einer artifiziellen Schichtung zu verstehen. Bei der Füllung mit porösen Medien in natürlicher Lagerung wird ein genaues Abbild der natürlichen Schichtung übernommen, dafür wird das Substrat beispielsweise mit einer Linerkernbohrung entnommen.
Die gesamte Stoffreduzierung der zu untersuchenden Stoffe setzt sich aus der durch den mikrobiellen Abbau erfolgten Reduzierung (biotischer Anteil der Stoffreduzierung) und aus einem abiotischen Anteil zusammen. Aus diesem Grund wird der abiotische Anteil vor Versuchsbeginn (Beginn der ersten Stillstandszeit) bestimmt. Vor Beginn des Versuchsbetriebes zur Ermittlung mikrobieller Abbauraten 1. Ordnung erfolgt eine Konditionierung der Reaktoren, indem durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit Versuchswasser welches durch Pumpen aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in die Reaktoren so oft überführt wird, bis zwischen Zu- und Ablauf der Reaktoren kein Konzentrationsunterschied feststellbar ist und somit aus dieser Versuchsphase der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt wird.
Die Reaktoren werden intermittierend betrieben, d. h. die Reaktoren werden zunächst mit Versuchswasser befüllt, dann wird der Flüssigkeitsstrom gestoppt, so dass die Flüssigkeit in den Reaktoren steht und anschließend zum Austausch jeweils eines Porenvolumens nach Einhaltung einer Stillstandzeit von unten nach oben durchströmt.
Die Ermittlung der Stillstandszeit erfolgt auf der Grundlage von Vorversuchen und/oder der Auswertung von Monitoringdaten des zu betrachtenden Feldbereiches und/oder aus vergleichbaren früheren Untersuchungen und/oder modellgestützt und/oder mit Hilfe anderer geeigneter Verfahren. Vorteilhaft beträgt die Stillstandszeit mehrere Tage.
Die Durchströmung der Reaktoren erfolgt nur zum Austausch jeweils eines Porenvolumens von unten nach oben. Die Fluidteilsättigung der porösen Medien in den Reaktoren erfolgt durch Einstellung des Kapillardruckes mit einem Gas, das die zu untersuchenden Prozesse nicht beeinflusst. Die beiden Stirnseiten der Reaktoren werden durch Separatoren begrenzt, die gegenüber dem zu untersuchenden Fluid, jedoch nicht gegenüber dem für die Kapillardruckeinstellung verwendeten Gas durchlässig sind. Die zu verwendenden Separatoren sind inert und weisen kein signifikantes Porenvolumen auf. Vorzugsweise werden Membranen als Separatoren verwendet.
Nach einer vorher zu ermittelnden Stillstandszeit erfolgt der Austausch eines Porenvolumens unter Zuführung des gleichen Versuchswassers in Reaktor 1. In den folgenden Reaktoren wird das Porenvolumen durch das ausgetauschte Porenwasser aus dem vorherigen Reaktor ausgetauscht (ausgetauschtes Porenwasser Reaktor 1 → Reaktor 2, ausgetauschtes Porenwasser Reaktor 2 → Reaktor 3, ..., ausgetauschtes Porenwasser Reaktor (n – 1) → Reaktor n) erfolgen.
Während des Austausches oder nach dem Austausch des Porenvolumens werden Porenwasserproben entnommen und auf Milieukennwerte und Stoffkonzentrationen analysiert. Nach jedem Teilreaktor n befindet sich dazu eine Probenahmeeinrichtung, die die Bestimmung der Konzentrationsabnahme während der Stillstandszeit ermöglicht. Nur während der Austauschphase des Porenvolumens existieren eine hydraulisch wirksame und eine hydraulisch nicht bzw. geringfügig wirksame Porosität. Daraus folgt, dass sich, ähnlich wie in einem durchströmten Boden- oder Grundwasserbereich, erst nach einer längeren Durchströmungszeit ein Gleichgewicht zwischen der hydraulisch wirksamen und der nicht bzw. geringfügig wirksamen Porosität einstellen wird.
Die Entnahme der Porenwasserprobe erfolgt jeweils nach den Reaktoren n während oder nach dem Austausch eines Porenvolumens nach dem Ablauf der jeweiligen Stillstandszeit.
Bei offenem Betrieb erfolgt die Probenahme am Ablauf jedes Reaktors. Das gesamte Porenvolumen eines Reaktors wird in einem Zwischenspeicher gesammelt, aus dem eine Teilprobe für die Analyse entnommen wird und dessen Stoffinhalt anschließend analysiert wird. Vorzugsweise wird die Teilprobe durch einen Passivsammler geleitet. Der verbleibende Teil des Porenwassers wird aus dem Zwischenspeicher in den nachfolgenden Reaktor überführt. Bei geschlossenem Betrieb erfolgt die Anordnung einer Probennahmeeinheit zwischen den Reaktoren. Dadurch wird eine Mischprobennahme (integrale Probennahme) des Porenwassers während des gesamten Porenwasseraustausches zwischen denen in dieser Variante jeweils hydraulisch verbundenen Reaktoren ermöglicht. Als Zwischenspeicher und Probengefäße werden bevorzugt flexible gasdichte Beutel oder starre Behälter, die mit Inertgas betrieben werden, eingesetzt.
Die mit porösen Medien gefüllten Reaktoren werden mit Versuchswasser entsprechend des eingestellten Kapillardruckes aufgefüllt.
Während oder nach dem Austausch eines Porenvolumens werden Porenwasserproben entnommen und auf die Milieukennwerte und Stoffkonzentrationen analysiert. Vorteilhaft sind die für das Verfahren zu berücksichtigenden Milieukennwerte der pH-Wert, Sauerstoffgehalt/Sauerstoffsättigung, die Redoxspannung, die Temperatur und/oder die elektrische Leitfähigkeit des ausgetauschten Porenwassers. Die mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung werden durch das erfindungsgemäße Verfahren auf der Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum n. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im porösen Medium, welche nach Abschluss des Versuchs ermittelt wird, bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die Verwendung mehrerer in Reihe geschalteter Reaktoren eine eindeutige und rückwirkungsfreie Abgrenzung von Reaktionszonen. Durch den Austausch eines Porenvolumens mit Porenwasser aus dem jeweils vorigen Reaktor wird eine naturnahe Zonierung der Milieubedingungen (aerob-anoxisch-anaerob) mit der damit im Zusammenhang stehenden Zonierung der in-situ-Mikroorganismenflora entsprechend der Abbaustufen und den dabei entstehenden Metaboliten im hydraulisch wirksamen und gering wirksamen Porenvolumen bewirkt. Durch den intermittierenden Betrieb der Reaktoren wird sichergestellt, dass die für den mikrobiellen Abbau organischer Stoffe unter realen Bedingungen (in situ) zur Verfügung stehende Zeit auch im Laborversuch simuliert wird. Die Bestimmung der Konzentrationsabnahme in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor ermöglicht Aussagen, ob Veränderungen auf dem Fließweg stattfinden.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgesättigten porösen Medien, bei der die mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in einem System unterschiedlicher, in Reihe geschalteter, intermittierend betriebener Reaktoren unter naturnahen Bedingungen bestimmt werden. Die Vorrichtung besteht aus folgenden Bauteilen:
mehreren in Reihe geschalteten, offen oder geschlossen betriebenen und mit dem zu untersuchenden porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllten Reaktoren n deren Porenvolumen mit den zu untersuchenden Wasserproben intermittierend ausgetauscht wird, wobei die Größe der Reaktoren n so bemessen ist, dass sie den Austausch eines Porenvolumens eines Reaktors n mit dem jeweils nachgeschalteten Reaktor n + 1 und die Entnahme jeweils einer Probenmenge für die Analytik erlaubt, mehreren Probenahmeeinrichtungen zur repräsentativen Entnahme von Porenwasserproben, mehreren Probengefäßen oder Passivsammlern zur verlustfreien Sammlung der in den Porenwasserproben zu untersuchenden Inhaltsstoffe, mindestens einer Pumpe zur Infiltration von auszutauschendem Porenvolumen und mindestens einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine Analyseeinrichtung auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind den Reaktoren n Zwischenspeicher nachgeordnet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren auf.
Die Vorrichtung besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Reaktoren. Die Reaktoren sind mit dem zu untersuchenden porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllt. Das in den Reaktoren befindliche poröse Medium kann sowohl gestört als auch ungestört entnommen worden sein. Die Fluidteilsättigung der porösen Medien in den Reaktoren erfolgt durch Einstellung des Kapillardruckes mit einem Gas, das die zu untersuchenden Prozesse nicht beeinflusst. Die beiden Stirnseiten der Reaktoren werden durch Separatoren begrenzt, die gegenüber dem zu untersuchenden Fluid, jedoch nicht gegenüber dem für die Kapillardruckeinstellung verwendeten Gas durchlässig sind. Die zu verwendenden Separatoren sind inert und weisen kein signifikantes Porenvolumen auf. Vorzugsweise werden Membranen als Separatoren verwendet.
Das Porenvolumen wird mit den zu untersuchenden Wasserproben intermittierend ausgetauscht. Die Wahl des Materials, aus denen die Reaktoren zu fertigen sind, erfolgt in Abhängigkeit der zu untersuchenden Stoffe, d. h. Materialeinflüsse auf die zu untersuchenden Prozesse bzw. Stoffe sind zu verhindern bzw. zu minimieren.
Die Größe der Reaktoren n ist so bemessen, dass sie den Austausch eines Porenvolumens eines Reaktors n mit dem jeweils nachgeschalteten Reaktor n + 1 und die Entnahme jeweils einer Probenmenge für die Analytik erlaubt, d. h. die Reaktorgröße nimmt mit fortschreitender Reaktorzahl ab.
Die Vorrichtung besitzt mehrere Probenahmeeinrichtungen zur repräsentativen Entnahme von Porenwasserproben.
Die Reaktoren können offen oder geschlossen betrieben werden. Dabei erfolgt die Entnahme von Porenwasserproben in einer der folgenden Varianten:

– offener Betrieb der Reaktoren: Die Anordnung von Zwischenspeichern erfolgt am Ablauf jedes Reaktors. Aus diesen wird eine Teilprobe für die Analyse entnommen. Vorteilhaft wird die Teilprobe durch einen Passivsammler geleitet, dessen Stoffinhalt anschließend analysiert wird. Der verbleibende Teil des Porenvolumens wird aus dem Zwischenspeicher in den nachfolgenden Reaktor überführt.
– geschlossener Betrieb der Reaktoren: Die Anordnung einer Probennahmeeinheit erfolgt zwischen den Reaktoren. Dies ermöglicht eine Mischprobennahme (integrale Probennahme) des Porenwassers während des gesamten Porenwasseraustausches zwischen denen in dieser Variante jeweils hydraulisch verbundenen Reaktoren.

Die Vorrichtung besitzt mehrere Probengefäße oder Passivsammler zur verlustfreien Sammlung der Porenwasserproben. Als Zwischenspeicher und Probengefäße werden bevorzugt flexible gasdichte Beutel oder starre Behälter, die mit Inertgas betrieben werden, eingesetzt.
Die Vorrichtung besitzt mindestens eine Pumpe zur Infiltration des auszutauschenden Porenvolumens. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung auf. Vorteilhaft enthält die Vorrichtung mindestens eine Analyseeinrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird wie folgt betrieben:
Die Reaktoren werden mit porösen Medien in gestörter bzw. natürlicher Lagerung gefüllt. Mithilfe einer Pumpe erfolgt anschließend die Füllung der Reaktoren mit Versuchswasser von unten nach oben, wobei bei fluidgesättigten Medien keine Einstellung des Kapillardrucks erfolgt. Bei fluidteilgesättigten Medien erfolgt die Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren mithilfe einer entsprechenden Vorrichtung.
Zunächst werden die Versuchsreaktoren konditioniert und dadurch der abiotische Anteil an der Stoffreduzierung ermittelt. Vor Beginn der ersten Stillstandszeit erfolgt eine Konditionierung aller Reaktoren n durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit der zu untersuchenden Wasserprobe so lange, bis zwischen Zu- und Ablauf der Reaktoren kein Konzentrationsunterschied feststellbar ist. Dadurch werden gleiche Konzentrationsverhältnisse in allen Reaktoren gewährleistet. Daran schließt sich eine Stillstandszeit an, in der kein Versuchswasser durch die Reaktoren gepumpt wird, da der Flüssigkeitsstrom gestoppt wird. In diesem Zeitraum erfolgt der mikrobielle Abbau der im Reaktor enthaltenen, zu untersuchenden Stoffe.
Im Anschluss erfolgt der Austausch eines Porenwasservolumens. Hierbei wird in Reaktor 1 Versuchswasser nachgepumpt, in die weiteren Reaktoren erfolgt die Befüllung mit Porenwasser aus dem jeweils vorhergehenden Reaktor.
Beim geschlossenen Betrieb der Reaktoren sind diese untereinander hydraulisch verbunden, beim offenen Betrieb sind die Reaktoren nicht untereinander verbunden und die Befüllung erfolgt aus jeweils einem dazwischengeschalteten Zwischenspeicher. Nach dem Austausch des Porenwasservolumens schließt sich eine erneute Stillstandszeit an. Die Phasen des Austauschs des Porenwasservolumens und der anschließenden Stillstandszeit werden wiederholt.
Die Analyse der Stoffkonzentrationen erfolgt in den entnommenen Proben. Nach Beendigung des Versuchs wird die Stoffkonzentration im porösen Medium bestimmt.
Durch die entwickelte Lösung (Verfahren mit Vorrichtung) wird die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in porösen Medien im Labormaßstab erstmals möglich.
Anhand beigefügter Darstellungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
1 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei geschlossenem Betrieb
2 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidteilgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei geschlossenem Betrieb
3 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei offenem Betrieb
4 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidteilgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei offenem Betrieb
5 Verlauf der Konzentrationen von aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX) im Porenwasser am Ablauf der Versuchsreaktoren mit Angabe der Aufenthaltszeit [d] beim 3. Durchlauf von kontaminiertem Grundwasser mit 1000 mg/l Nitrat
6 Verlauf der Nitrat-Konzentrationen im Porenwasser am Ablauf der Versuchsreaktoren mit Angabe der Aufenthaltszeit [d] beim 3. Durchlauf von kontaminiertem Grundwasser mit 1000 mg/l Nitrat
Ausführungsbeispiel 1:
1 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei geschlossenem Betrieb. Die Vorrichtung besteht aus fünf in Reihe geschalteten untereinander hydraulisch verbundenen Reaktoren (1–5) mit fluidgesättigten porösen Medien, einem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser, einer Pumpe, einer Steuer-, Analyse und Auswerteeinrichtung, fünf Probenahmeeinrichtungen sowie fünf Probengefäßen.
In die Reaktoren (1–5) werden die fluidgesättigten porösen Medien in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllt. Die Konditionierung der Versuchsreaktoren erfolgt durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit Versuchswasser welches durch Pumpen aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in die Reaktoren überführt wird. Nach Abschluss der Konditionierung sind in allen Reaktoren gleiche Konzentrationsverhältnisse gewährleistet. Aus dieser Versuchsphase wird der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt. Die Reaktoren werden intermittierend betrieben.
Zum Start des Versuchslaufs beginnt eine Stillstandszeit, an die sich ein Austausch eines Porenwasservolumens anschließt. Dabei wird Versuchswasser aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in Reaktor 1 gepumpt. Das verdrängte Porenwasser wird über eine zwischengeschaltete integrale Probenahmeeinrichtung in den Reaktor 2 überführt. Die Probenahmeeinrichtung entnimmt einen Teil des Porenwasservolumens zur Analyse. Das verdrängte Porenwasser aus Reaktor 2 wird wiederum über eine integrale Probenahmeeinrichtung in Reaktor 3 überführt. Dies verläuft analog mit dem Porenwasser aus den Reaktoren 3, 4 und 5. Die den Reaktoren nachgeschaltete Probenahmeeinrichtung kann über eine Analyseeinrichtung verfügen.
Die Analyse der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung erfolgt auf Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum 5. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im fluidgesättigten porösen Medium, welche nach Abschluss des Versuchs ermittelt wird.
Ausführungsbeispiel 2:
2 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidteilgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei geschlossenem Betrieb. Die Vorrichtung besteht aus fünf in Reihe geschalteten, untereinander hydraulisch verbundenen Reaktoren (1–5) mit fluidteilgesättigten porösen Medien, einem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser, einer Pumpe, einer Steuer-, Analyse und Auswerteeinrichtung, fünf Probenahmeeinrichtungen, fünf Probengefäßen sowie fünf Vorrichtungen zur Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren.
In die Reaktoren (1–5) werden die fluidteilgesättigten porösen Medien in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllt. Die Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren erfolgt mithilfe der entsprechenden Vorrichtung. Die beiden Stirnseiten der Reaktoren werden durch Separatoren begrenzt, die gegenüber dem zu untersuchenden Fluid, jedoch nicht gegenüber dem für die Kapillardruckeinstellung verwendeten Gas durchlässig sind.
Die Konditionierung der Versuchsreaktoren erfolgt durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit Versuchswasser welches durch Pumpen aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in die Reaktoren überführt wird. Nach Abschluss der Konditionierung sind in allen Reaktoren gleiche Konzentrationsverhältnisse gewährleistet. Aus dieser Versuchsphase wird der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt. Die Reaktoren werden intermittierend betrieben.
Zum Start des Versuchslaufs beginnt eine Stillstandszeit, an die sich ein Austausch eines Porenwasservolumens anschließt. Dabei wird Versuchswasser aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in Reaktor 1 gepumpt. Das verdrängte Porenwasser wird über eine zwischengeschaltete integrale Probenahmeeinrichtung in den Reaktor 2 überführt. Die Probenahmeeinrichtung entnimmt einen Teil des Porenwasservolumens zur Analyse. Das verdrängte Porenwasser aus Reaktor 2 wird wiederum über eine integrale Probenahmeeinrichtung in Reaktor 3 überführt. Dies verläuft analog mit dem Porenwasser aus den Reaktoren 3, 4 und 5. Die den Reaktoren nachgeschaltete Probenahmeeinrichtung kann über eine Analyseeinrichtung verfügen.
Die Analyse der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung erfolgt auf Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum 5. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im fluidgesättigten porösen Medium, welche nach Abschluss des Versuchs ermittelt wird.
Ausführungsbeispiel 3:
3 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei offenem Betrieb. Die Vorrichtung besteht aus fünf in Reihe geschalteten Reaktoren (1–5) mit fluidgesättigten porösen Medien, einem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser, fünf Pumpen, fünf Steuer-, Analyse und Auswerteeinrichtungen, fünf Analyseeinrichtungen, vier Zwischenspeichern sowie fünf Probengefäßen.
In die Reaktoren (1–5) werden die fluidgesättigten porösen Medien in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllt. Die Konditionierung der Versuchsreaktoren erfolgt durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit Versuchswasser welches durch Pumpen aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in die Reaktoren überführt wird. Nach Abschluss der Konditionierung sind in allen Reaktoren gleiche Konzentrationsverhältnisse gewährleistet. Aus dieser Versuchsphase wird der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt. Die Reaktoren werden intermittierend betrieben.
Zum Start des Versuchslaufs beginnt eine Stillstandszeit, an die sich ein Austausch eines Porenwasservolumens anschließt. Dabei wird Versuchswasser aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in Reaktor 1 gepumpt. Das verdrängte Porenwasser wird über eine zwischengeschaltete Analyseeinrichtung in einen Zwischenspeicher überführt. Aus dem Zwischenspeicher wird eine Probe des Porenwassers für die Analyse entnommen. Das restliche Porenwasser wird über eine Pumpe dem Reaktor 2 zugeführt. Dessen verdrängtes Porenwasser wird wiederum über eine Analyseeinrichtung einem weiteren Zwischenspeicher zugeführt. Aus diesem wird eine Probe zur Analyse entnommen und das restliche Porenwasser wird über eine Pumpe dem Reaktor 3 zugeführt. Dies verläuft analog mit dem Porenwasser aus den Reaktoren 3, 4 und 5.
Die Analyse der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung erfolgt auf Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum 5. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im fluidgesättigten porösen Medium, welche nach Abschluss des Versuchs ermittelt wird.
Ausführungsbeispiel 4:
4 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidteilgesättigten porösen Medien unter Verwendung von 5 Reaktoren bei offenem Betrieb. Die Vorrichtung besteht aus fünf in Reihe geschalteten Reaktoren (1–5) mit fluidteilgesättigten porösen Medien, einem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser, fünf Pumpen, fünf Steuer-, Analyse und Auswerteeinrichtungen mit jeweils eine Vorrichtung zur Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren, fünf Analyseeinrichtungen, vier Zwischenspeichern sowie fünf Probengefäßen.
In die Reaktoren (1–5) werden die fluidgesättigten porösen Medien in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllt. Die Einstellung des Kapillardrucks in den Reaktoren erfolgt mithilfe der entsprechenden Vorrichtung. Die beiden Stirnseiten der Reaktoren werden durch Separatoren begrenzt, die gegenüber dem zu untersuchenden Fluid, jedoch nicht gegenüber dem für die Kapillardruckeinstellung verwendeten Gas durchlässig sind.
Die Konditionierung der Versuchsreaktoren erfolgt durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit Versuchswasser welches durch Pumpen aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in die Reaktoren überführt wird. Nach Abschluss der Konditionierung sind in allen Reaktoren gleiche Konzentrationsverhältnisse gewährleistet. Aus dieser Versuchsphase wird der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt. Die Reaktoren werden intermittierend betrieben.
Zum Start des Versuchslaufs beginnt eine Stillstandszeit, an die sich ein Austausch eines Porenwasservolumens anschließt. Dabei wird Versuchswasser aus dem Gefäß für Grund- oder Bodenwasser in Reaktor 1 gepumpt. Das verdrängte Porenwasser wird über eine zwischengeschaltete Analyseeinrichtung in einen Zwischenspeicher überführt. Aus dem Zwischenspeicher wird eine Probe des Porenwassers für die Analyse entnommen. Das restliche Porenwasser wird über eine Pumpe dem Reaktor 2 zugeführt. Dessen verdrängtes Porenwasser wird wiederum über eine Analyseeinrichtung einem weiteren Zwischenspeicher zugeführt. Aus diesem wird eine Probe zur Analyse entnommen und das restliche Porenwasser wird über eine Pumpe dem Reaktor 3 zugeführt. Dies verläuft analog mit dem Porenwasser aus den Reaktoren 3, 4 und 5.
Die Analyse der mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung erfolgt auf Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum 5. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im fluidgesättigten porösen Medium, welche nach Abschluss des Versuchs ermittelt wird.
Ausführungsbeispiel 5:
Das Ausführungsbeispiel zeigt die Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigtem porösem Medium mithilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens bei offenem Betrieb. Die Durchführung erfolgte als intermittierend betriebener Reaktorversuch gemäß 3 mit 5 in Reihe angeordneter Reaktoren bei ca. 10°C. Die Reaktoren waren mit fluidgesättigtem porösem Medium befällt, weiterhin besaß die Vorrichtung ein Gefäß für Grundwasser, fünf Pumpen, fünf Steuer-, Analyse und Auswerteeinrichtungen, fünf Analyseeinrichtungen, vier Zwischenspeicher sowie fünf Probengefäße.
Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung der Parameter des mikrobiellen Abbaus 1. Ordnung. Im Ausführungsbeispiel wurde die Abnahme der Konzentration von aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX) sowie von Nitrat als Funktion der Zeit bestimmt.
Der Aufbau der Versuchsanlage erfolgte komplett aus Edelstahl (Leitungen, Pumpe, Deckel, Liner). Die gestört entnommene Substratmischprobe wurde unter sauerstofffreier Atmosphäre in die Versuchsreaktoren eingefüllt. Als Versuchswasser wurde kontaminiertes Grundwasser aus einer zustromig gelegenen Grundwassermessstelle verwendet. Aus den mit Originalgrundwasser gefüllten Edelstahlfässern wurde vor Beginn jeder Infiltrationsphase die entsprechende Menge in gasdichte Beutel unter Verwendung von Inertgas abgefüllt und je nach Versuchsphase mit Nitrat (als NaNO₃) als Elektronenakzeptor aufgestockt.
Aus diesen gasdichten Beuteln wurde das Versuchswasser mit Hilfe einer Edelstahl-Kolbenpumpe in die Versuchsanlage überführt. Das zu analysierende Grundwasser wurde von unten nach oben in die Versuchsreaktoren eingestaut, bis eine volle Fluidsättigung erreicht war. Vor Beginn der ersten Stillstandszeit erfolgte die Konditionierung aller Versuchsreaktoren durch einen fünffachen Porenvolumenaustausch mit dem zu analysierenden Grundwasser, um gleiche Konzentrationsverhältnisse in allen Reaktoren zu gewährleisten. Aus dieser Versuchsphase wurde der abiotische Anteil der Stoffreduzierung ermittelt.
Während der Stillstandszeit von 12–16 Tagen wurde kein Porenvolumenaustausch vorgenommen. Die Länge der Stillstandszeit wurde hierbei auf der Grundlage der Auswertung von Monitoringergebnissen am zu untersuchenden Standort festgelegt. Nach dem Ende der Stillstandszeit erfolgte der Austausch eines Porenvolumens des ersten Versuchsreaktors mit dem zu analysierenden Grundwasser von unten nach oben, wobei die Leitparameter Sauerstoffgehalt und Redoxpotenzial im Reaktorablauf direkt gemessen wurden.
Das verdrängte Porenwasser wurde in einem gasdichten Beutel aufgefangen. Aus diesem wurde das zur Analyse notwendige Perkolatvolumen (ca. 300 ml) entnommen. Das restliche Porenwasser wurde aus dem gasdichten Beutel in den zweiten Versuchsreaktor überführt.
Für alle nachgeschalteten Reaktoren wurde diese Vorgehensweise beibehalten. Die Austausch- und Stillstandsphasen wurden wiederholt, bis je Versuch drei komplette Durchläufe von Reaktor 1 bis zum Reaktor 5 durchgeführt worden waren.

In Tabelle 1 sind die wichtigsten Kennwerte des Versuchs dargestellt. Tabelle 1: Versuchskennwerte

Parameter (Messwerte)	Reaktor 1	Reaktor 2	Reaktor 3	Reaktor 4	Reaktor 5
Länge [cm]	67,5	50	37,5	25	12,5
Durchmesser [cm]	10,2	10,2	10,2	10,2	10,2
Volumen [ml]	5107	4086	3064	2043	1021
Trockenmasse Boden* [kg]	9,45	7,43	5,63	3,71	1,84
mittlere Porosität** [–]	0,30	0,31	0,31	0,32	0,32
Porenvolumen [ml] ***	1532	1226	919	613	306
Probenanzahl #	20	20	20	20	20
Gesamtperkolatvolumen # [ml]	30433	24295	18252	12401	6366
Ausgetauschte Porenvolumen #	19,9	19,8	19,9	20,2	20,8

*berechnet über die Trockenmasse
**nach Versuch aus Volumen des Reaktors und Trockenmasse des Substrates berechnet
***Grundlage für die Auswertung
# ohne Konditionierung

Die 5 und 6 zeigen Analysendaten der entnommenen Porenwasserproben im Ablauf der Versuchsreaktoren. 5 zeigt den Verlauf der Konzentrationen von aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX) im Porenwasser am Ablauf der Versuchsreaktoren mit Angabe der Aufenthaltszeit [d] beim 3. Durchlauf von kontaminiertem Grundwasser welches mit 1000 mg/l Nitrat aufgestockt wurde. 6 zeigt den Verlauf der Nitrat-Konzentrationen im Porenwasser am Ablauf der Versuchsreaktoren mit Angabe der Aufenthaltszeit [d] beim 3.
Durchlauf von kontaminiertem Grundwasser welches mit 1000 mg/l Nitrat aufgestockt wurde.
Es wurde jeweils ein kompletter Durchlauf des zu analysierenden Grundwassers von Reaktor 1 bis Reaktor 5 dokumentiert. Die Versuchsergebnisse werden gemäß eines mikrobiellen Abbaus 1. Ordnung ausgewertet. Es wurde zur Berechnung die folgende Gleichung verwendet
wobei

t:: Versuchszeit in d
Ct/Co:: Verhältnis zwischen Stoffkonzentration nach einer Versuchszeit von t und Stoffkonzentration zu Versuchsbeginn, entspricht prozentualer Abnahme auf x% der Ausgangskonzentration
k:: Ratenkonstante in 1/d

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Handlungsempfehlungen mit Methodensammlung „Natürliche Stoffminderung bei der Sanierung von Altlasten” des BMBF-Förderschwerpunktes KORA; DECHEMA e. V., Forschungs- und Projektkoordination, Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main, 2008; ISBN 978-3-89746-092-0 [0009]
- http://www.umwelt.sachsen.de/umwelt/download/boden/Sickerwasserprognose01.pdf [0009]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs, bei dem eine zu untersuchende Wasserprobe nacheinander mehrere in Reihe geschaltete, offen oder geschlossen, intermittierend betriebene, mit dem zu untersuchenden fluidgesättigten oder fluidteilgesättigten porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllte Reaktoren n zum Austausch jeweils eines Porenvolumens nach Einhaltung einer Stillstandzeit von unten nach oben durchströmt, und während des Austausches oder nach dem Austausch der Porenvolumen Porenwasserproben entnommen werden, welche auf Milieukennwerte und Stoffkonzentrationen analysiert werden, wobei die Stillstandzeit zwischen den Porenvolumenaustauschen so bemessen wird, dass die Porenwasserproben einen signifikanten Konzentrationsunterschied zwischen zwei Zeitschritten an den zu untersuchenden Inhaltsstoffen in den entnommenen Porenwasserproben aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der ersten Stillstandszeit eine Konditionierung aller Reaktoren n durch mehrfachen Porenvolumenaustausch mit der zu untersuchenden Wasserprobe so lange erfolgt, bis zwischen Zu- und Ablauf der Reaktoren kein Konzentrationsunterschied feststellbar ist, um den abiotischen Anteil der Stoffreduzierung zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Milieukennwerte pH-Wert, Sauerstoffgehalt/Sauerstoffsättigung, Redoxspannung, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit die Abbauraten auf der Grundlage der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsreaktor, der Konzentrationsabnahme der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom 1. bis zum n. Versuchsreaktor und der Stoffkonzentration im porösen Medium nach Abschluss des Versuchs, bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stillstandzeit mehrere Tage beträgt.
Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgesättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs, bei der die mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in einem System unterschiedlicher, in Reihe geschalteter, intermittierend betriebener Reaktoren unter naturnahen Bedingungen bestimmt werden, umfassend mehrere in Reihe geschaltete, offen oder geschlossen betriebene und mit dem zu untersuchenden porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung gefüllte Reaktoren n deren Porenvolumen mit den zu untersuchenden Wasserproben intermittierend ausgetauscht wird, wobei die Größe der Reaktoren n so bemessen ist, dass sie den Austausch eines Porenvolumens eines Reaktors n mit den jeweils nachgeschalteten Reaktor n + 1 und die Entnahme jeweils einer Probenmenge für die Analytik erlaubt, mehrere Probenahmeeinrichtungen zur repräsentativen Entnahme von Porenwasserproben, mehrere Probengefäße oder Passivsammler zur verlustfreien Sammlung der in den Porenwasserproben zu untersuchenden Inhaltsstoffe, mindestens eine Pumpe zur Infiltration von auszutauschendem Porenvolumen und mindestens eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Analyseeinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Reaktoren n Zwischenspeicher nachgeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass sie mindestens eine Vorrichtung zur Einstellung des Kapillardruckes in den Reaktoren n aufweist.