DE102009043134B4

DE102009043134B4 - Method for determining mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters

Info

Publication number: DE102009043134B4
Application number: DE200910043134
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Nitsche Claus; Prof. Großmann Jochen
Original assignee: BGD BODEN und GRUNDWASSERLABOR GmbH; BGD BODEN- und GRUNDWASSERLABOR GmbH; GICON-Großmann Ingenieur Consult GmbH; GICON GROSSMANN INGENIEUR CONSULT GmbH
Current assignee: BGD ECOSAX GMBH, DE; GICON-GROSSMANN INGENIEUR CONSULT GMBH, DE
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2029-09-19
Also published as: DE102009043134A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen einem Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern, bei dem in einem offen oder geschlossen betriebenen Reaktor, der im unteren Teil mit einem wassergesättigten porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung und im oberen Teil mit dem Wasserkörper gefüllt ist, der Wasserkörper im Kreislauf gepumpt wird, um eine homogene Verteilung des zu untersuchenden Stoffs im Wasserkörper zu erzielen und die im natürlichen Oberflächengewässer auf das poröse Medium wirkenden Druckunterschiede erzeugt werden und mindestens einmal zunächst die Einstellung einer Konzentrationsdifferenz des zu untersuchenden Stoffs zwischen dem Wasserkörper und dem porösen Medium erfolgt und anschließend die Bestimmung der Stoffkonzentration im Wasserkörper in Abhängigkeit von der Zeit erfolgt, wobei die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper bei offenem Betrieb des Reaktors durch einen Verdrängungskörper und bei geschlossenem Betrieb des Reaktors durch einen Kolben erfolgt.Method for the determination of mass transfer rates between a water body and porous media in surface waters, in which the water body is in an open or closed operated reactor, which is filled in the lower part with a water-saturated porous medium in natural or disturbed storage and in the upper part with the water body is pumped in a circuit in order to achieve a homogeneous distribution of the substance to be investigated in the water body and the pressure differences acting on the porous medium in natural surface water are generated and at least once a concentration difference of the substance to be examined between the water body and the porous medium is set and then the substance concentration in the water body is determined as a function of time, the generation of the pressure differences in the water body when the reactor is open by a displacement body and at closed operation of the reactor by a piston.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern, bei dem die Austauschraten in einem Reaktor unter naturnahen Bedingungen und unterschiedlichen Konzentrationsgradienten quantifiziert werden. Die naturnahen Bedingungen betreffen vor allem die Temperatur, den dynamischen und hydrostatischen Druck, die wirksamen Konzentrationsgradienten, die Lagerungsdichte des porösen Mediums, die Kontaktfläche zwischen Wasserkörper und porösem Medium, die sich in Folge der zu untersuchenden Prozesse ergebenden Ablagerungen auf dem porösen Medium, die im porösen Medium möglicherweise lebenden Organismen und ihrem Beitrag zum Stoffumsatz sowie die den Stoffaustausch beeinflussenden Transportprozesse Diffusion und hydrodynamische Dispersion.The invention relates to a method for determining mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters, in which the exchange rates in a reactor are quantified under natural conditions and different concentration gradients. The near - natural conditions mainly concern the temperature, the dynamic and hydrostatic pressure, the effective concentration gradients, the storage density of the porous medium, the contact area between the water body and the porous medium, the deposits on the porous medium resulting from the processes under investigation Porous medium possibly living organisms and their contribution to the metabolic rate and the mass transfer affecting transport processes diffusion and hydrodynamic dispersion.

Die Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern ist eine grundlegende Voraussetzung für eine belastbare Prognose der im Wasserkörper ablaufenden physikochemischen und/oder biochemischen Prozesse. Unter anderem sind diese für die Prognose der Beschaffenheitsentwicklung in Tagebaufolgeseen, für die Quantifizierung des Selbstreinigungsvermögens von Oberflächengewässern („natural attenuation”), für die Planung und Optimierung von in-situ-Sanierungsmaßnahmen in Oberflächengewässern („enhanced natural attenuation”) sowie für die Planung und Überprüfung des „monitored natural attenuation” bedeutsam.The determination of mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters is a fundamental prerequisite for a reliable prognosis of the physicochemical and / or biochemical processes taking place in the water body. Among others, these are for the prognosis of the development of quality in open-pit mining lakes, for the quantification of the self-cleansing capacity of surface waters ("natural attenuation"), for the planning and optimization of in-situ remediation measures in surface waters ("enhanced natural attenuation") as well as for the planning and review of the "monitored natural attenuation".

Der Stoffaustausch zwischen einem Wasserkörper und den daran angrenzenden porösen Medien, die gegebenenfalls mit Fällungs- bzw. Reaktionsprodukten überdeckt sind, lässt sich typischerweise in zwei Teilprozesse unterteilen:

1. Diffusion und
2. hydrodynamische Dispersion.

The mass transfer between a water body and the adjacent porous media, which are optionally covered with precipitation or reaction products, can typically be subdivided into two sub-processes:

1. Diffusion and
2. hydrodynamic dispersion.

Dabei wurde die Wirkung der hydrodynamischen Dispersion bisher unterschätzt. Somit wurden Stoffaustauschraten allein auf der Grundlage der Diffusion quantifiziert.The effect of hydrodynamic dispersion has been underestimated. Thus, mass transfer rates were quantified on the basis of diffusion alone.

Die Anteile beider oben benannter Teilprozesse an der Stoffaustauschrate sind vor allem von den hydraulischen Eigenschaften der beteiligten porösen Medien und den aus der Wellenbewegung, aus Strömungsprozessen und anderen im Grenzbereich zwischen Wasserkörper und porösen Medien wirkenden Prozessen, die Stoffaustausch bewirken können, abhängig.The proportions of the above-mentioned sub-processes in the mass transfer rate are mainly dependent on the hydraulic properties of the porous media involved and on the wave motion, flow processes and other processes acting in the boundary region between the water body and the porous media which can cause mass transfer.

Die Quantifizierung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern ist eine Aufgabenstellung, die zur erfolgsorientierten Bearbeitung der oben benannten Anwendungsbereiche notwendig ist. Die für eine Übertragbarkeit der im Labormaßstab ermittelten Stoffaustauschraten in den Feldmaßstab zu beachtenden Maßstabsfaktoren werden vor allem durch folgende Randbedingungen bestimmt:

– der für den Stoffaustausch im Feld zur Verfügung stehenden Zeit,
– die Wahrung des hydrostatischen Druckes bzw. Simulation von Druckwechselbedingungen und Strömungen;
– die kleinräumige Heterogenität des porösen Mediums
– die Wahrung der im Feldbereich vorhandenen Lagerungsdichte und -struktur,
– die im Feldbereich vorhandene anteilige Wirkung von Diffusion und hydrodynamischer Dispersion.

The quantification of mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters is a task that is necessary for the success-oriented processing of the above-mentioned areas of application. The scaling factors to be considered for the transferability of the mass transfer rates determined on a laboratory scale to the field scale are determined above all by the following boundary conditions:

- the time available for mass transfer in the field,
- the maintenance of the hydrostatic pressure or simulation of pressure change conditions and flows;
- the small-scale heterogeneity of the porous medium
- preservation of the storage density and structure present in the field area,
- The proportionate effect of diffusion and hydrodynamic dispersion present in the field area.

Seit Jahrzehnten wird an einer belastbaren Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern im Labormaßstab und deren Übertragung in den Feldmaßstab gearbeitet. Dabei wurden vor allem Batchversuche, aber auch Diffusionszellen verwendet, bei denen die oben benannten Randbedingungen nur unzureichend bzw. nicht berücksichtigt wurden. So wurden zum Beispiel Batchversuche, wie der pH-STAT-Versuch durchgeführt, die eine Wahrung der Lagerungsdichte sowie die Berücksichtigung von diffusiven und konvektiven Stoffaustauschprozessen, wie oben dargestellt, nicht ermöglichen. Demgegenüber können in Diffusionszellen die im Feldbereich vorhandene Lagerungsdichte und die diffusiven Prozesse berücksichtigt werden, jedoch nicht die konvektiven Transportprozesse.For decades, work has been carried out on a reliable determination of mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters on a laboratory scale and their field-scale transmission. In particular, batch experiments, but also diffusion cells were used in which the above-mentioned boundary conditions were insufficient or not considered. For example, batch experiments, such as the pH-STAT experiment, have been conducted which do not allow storage density to be maintained and the consideration of diffusive and convective mass transfer processes, as outlined above. In contrast, in diffusion cells, the storage density present in the field region and the diffusive processes can be taken into account, but not the convective transport processes.

Aus dem Stand der Technik sind folgende Veröffentlichungen bekannt:

1. P. Obermann, S. Cremer (1993): Mobilisierung von Schwermetallen in Porenwässern von belasteten Böden und Deponien: Entwicklung eines aussagekräftigen Elutionsverfahrens, Hrsg.: Landesamt für Wasser und Abfall NRW, Reihe Materialien zur Ermittlung und Sanierung von Altlasten, Band 6 (pH-STAT-Versuch), der für verschiedene zu betrachtende Stoffe angewendet wird,
2. Abschlussbericht „Untersuchung des natürlichen Rückhaltes und Abbaus deponiebürtiger Schadstoffe am Beispiel der Deponie Großkayna”; KORA, Themenverbund 4: Deponien und Altablagerungen, 20. Juni 2008 (KORA: Kontrollierter Natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen bei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden; Förderschwerpunkt des BMBF).

The following publications are known from the prior art:

1. P. Obermann, S. Cremer (1993): Mobilization of heavy metals in pore waters of polluted soils and landfills: Development of a meaningful elution process, ed .: State Office for Water and Waste NRW, Series Materials for the Investigation and Remediation of Contaminated Sites, Volume 6 (pH-STAT test), which is used for various substances under consideration,
2. Final report "Examination of the natural retention and degradation of landfill pollutants using the example of the landfill Großkayna"; KORA, Themenverbund 4: Landfills and old deposits, 20 June 2008 (KORA: Controlled natural retention and degradation of pollutants in the remediation of contaminated groundwater and soil, funding priority of the BMBF).

Der pH-STAT-Versuch ist ein klassischer Batchtest, bei dem eine bestimmte Masse eines zu untersuchenden porösen Mediums in einem bestimmten Wasservolumen kontinuierlich gerührt wird. Dabei wird die im Wasser wirkende Konzentration des bzw. der zu untersuchenden Stoffe konstant gehalten. Der Verbrauch bzw. die Zugabe des bzw. der zu untersuchenden Stoffe wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Das Ergebnis sind der maximale Stoffaustausch bzw. die maximalen Stoffaustauschraten, ohne Wahrung der natürlichen Lagerungsdichte, Diffusions- und/oder hydrodynamischer Dispersionsprozesse.The pH-STAT test is a classic batch test in which a certain mass of a porous medium to be examined in a certain volume of water is stirred continuously. In this case, the concentration of the substance (s) to be examined in the water is kept constant. Consumption or addition of the substance or substances to be investigated is recorded as a function of time. The result is the maximum mass transfer or the maximum mass transfer rates, without preserving the natural storage density, diffusion and / or hydrodynamic dispersion processes.

Die in 2. beschriebenen Untersuchungen berücksichtigen zwar die natürlichen Lagerungsbedingungen des zu untersuchenden porösen Mediums und die Diffusion, jedoch nicht die hydrodynamische Dispersion. Ein weiteres Defizit besteht in der Auswertung des Versuches, der auf einer Gesamtbilanz geführt wird, so dass eine Stoffaustauschrate 0. Ordnung und keine gradientenbezogene Änderungen von Stoffaustauschraten (Stoffaustauschrate 1. Ordnung) berücksichtigt werden können.Although the investigations described in 2. consider the natural storage conditions of the porous medium to be examined and the diffusion, but not the hydrodynamic dispersion. Another deficit is the evaluation of the experiment, which is conducted on an overall balance, so that a mass transfer rate 0th order and no gradient-related changes of mass transfer rates (mass transfer rate 1st order) can be considered.

DE 10 2009 038 017 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von mikrobiellen Abbauraten 1. Ordnung in fluidgesättigten und fluidteilgestättigten porösen Medien des Boden- und Grundwasserbereichs. Dabei wird der mikrobielle Abbau 1. Ordnung in einem System unterschiedlicher, in Reihe intermittierend betriebener Reaktoren unter naturnahen Bedingungen quantifiziert. Eine zu untersuchende Wasserprobe durchströmt 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. Für die Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern ist dieses Verfahren ungeeignet. Es ist vollständig auf die Simulation biologischer Prozesse im Boden- und Grundwasserbereich ausgelegt und ermöglicht nicht die Bestimmung physiko-chemischer Parameter, wie der Stoffaustauschraten zwischen einem Wasserkörper (See) und dem Sediment (Seeboden). DD 218 681 A1 offenbart ein Laborverfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der durchströmten und nichtdurchströmten Porosität von gestört oder ungestört entnommenen Proben poröser Medien in Abhängigkeit ihrer Fluidsättigung. Dabei wird mit einer Vorrichtung ein Tracer im durchströmten und nichtdurchströmten Porenraum einer fluiddurchströmten Probe ins thermodynamische Gleichgewicht gebracht (Verfahrensschritt I). Anschließend wird das Fluid mit veränderter Tracerkonzentration (z. B. tracerfrei) zugeführt, bis dieses das am Ende von Verfahrensschritt I im durchströmten Porenraum befindliche weitestgehend verdrängt hat (Verfahrensschritt II). Nachfolgend wird dem System eine Kreislaufführung des strömenden Fluids aufgeprägt und bis zur Einstellung des erneuten thermodynamischen Gleichgewichts aufrechterhalten (Verfahrensschritt III). Die gesuchten Parameter werden aus einer Massebilanzgleichung des Tracers der Verfahrensschritte I, II und III und einem mathematischen Modell für den Tracerkonzentrationsverlauf am Ablauf während des Verfahrensschrittes II ermittelt. DE 10 2009 038 017 A1 discloses a method and apparatus for determining first-order microbial degradation rates in fluid-saturated and fluid-saturated porous media of the soil and groundwater areas. First-order microbial degradation is quantified in a system of different, intermittently operated reactors under near-natural conditions. A water sample to be examined successively flows through a plurality of series-connected, open or closed, intermittently operated reactors n filled with the fluid-saturated or fluid-part-saturated porous medium to be examined in natural or disturbed storage for exchanging one pore volume each time from bottom to top. During the exchange or even after the replacement of the pore volume, pore water samples are taken, which are analyzed for environmental parameters and substance concentrations. This method is unsuitable for the determination of mass transfer rates between water bodies and porous media in surface waters. It is fully designed for the simulation of soil and groundwater biological processes and does not allow for the determination of physico-chemical parameters, such as the mass transfer rates between a body of water (lake) and the sediment (seabed). DD 218 681 A1 discloses a laboratory method and apparatus for determining the flowed through and non-perfused porosity of disturbed or undisturbed samples of porous media as a function of their fluid saturation. In this case, a tracer in the perfused and non-perfused pore space of a fluid-flowed sample is brought into thermodynamic equilibrium with a device (method step I). Subsequently, the fluid is supplied with a modified tracer concentration (eg, tracer-free) until it has displaced as far as possible at the end of method step I in the perfused pore space (method step II). Subsequently, a circulation of the flowing fluid is impressed on the system and maintained until the adjustment of the renewed thermodynamic equilibrium (process step III). The sought parameters are determined from a mass balance equation of the tracer of method steps I, II and III and a mathematical model for the Tracerkonzentrationsverlauf at the end during the process step II.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches die Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern unter naturnahen Bedingungen ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide a method which allows the determination of mass transfer rates between water body and porous media in surface waters under natural conditions.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Ansprüche 2 bis 6 beschrieben. Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen einem Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern, bei dem in einem offen oder geschlossen betriebenen Reaktor, der im unteren Teil mit einem wassergesättigten porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung und im oberen Teil mit dem Wasserkörper gefüllt ist, der Wasserkörper im Kreislauf gepumpt wird, um eine homogene Verteilung des zu untersuchenden Stoffs im Wasserkörper zu erzielen und die im natürlichen Oberflächengewässer auf das poröse Medium wirkenden Druckunterschiede eingestellt werden und mindestens einmal zunächst die Einstellung einer Konzentrationsdifferenz des zu untersuchenden Stoffs zwischen dem Wasserkörper und dem porösen Medium erfolgt und anschließend die Bestimmung der Stoffkonzentration im Wasserkörper in Abhängigkeit von der Zeit erfolgt, wobei die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper bei offenem Betrieb des Reaktors durch einen Verdrängungskörper und bei geschlossenem Betrieb des Reaktors durch einen Kolben erfolgt.According to the invention the object is achieved by a method according to the features of claim 1. Further embodiments of the invention are described by the claims 2 to 6. The invention comprises a method for determining mass transfer rates between a body of water and porous media in surface waters, in which the reactor is operated in an open or closed reactor filled in the lower part with a water-saturated porous medium in natural or disturbed storage and in the upper part with the water body is, the water body is pumped in the circulation, in order to achieve a homogeneous distribution of the substance to be examined in the body of water and the natural surface water on the porous medium acting pressure differences are set and at least once the setting of a concentration difference of the substance to be examined between the water body and the porous medium takes place and then the determination of the substance concentration in the body of water as a function of time, wherein the generation of pressure differences in the body of water in open operation of the reactor by a n displacement body and carried out with closed operation of the reactor by a piston.

Vorzugsweise werden die Einstellung der Konzentrationsdifferenz und die anschließende Bestimmung der Stoffkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit mehrfach wiederholt. Bevorzugt werden die Stoffaustauschraten mehrerer Stoffe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt. Preferably, the adjustment of the concentration difference and the subsequent determination of the substance concentration as a function of time are repeated several times. Preferably, the mass transfer rates of several substances are determined by the method according to the invention.

Im unteren Teil des Reaktors ist ein wassergesättigtes poröses Medium eingefüllt. Vorzugsweise umfasst das poröse Medium ein Sediment eines Oberflächengewässers. Besonders bevorzugt besteht das poröse Medium aus Kippensubstraten, Bodenaushub, Baggergut, Schlämmen, gestörten und/oder ungestörten Sedimenten und/oder einem Grundwasserleiter.In the lower part of the reactor, a water-saturated porous medium is filled. Preferably, the porous medium comprises a sediment of a surface water. Particularly preferably, the porous medium consists of tilting substrates, excavated soil, dredged material, sludges, disturbed and / or undisturbed sediments and / or an aquifer.

Das poröse Medium kann in natürlicher oder gestörter Lagerung in den Reaktor eingefüllt sein. Unter gestörter Lagerung ist hierbei die Füllung mit vorher entnommenem porösen 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 Linerkernbohrungen entnommen und unter Aufrechterhaltung der natürlichen Lagerung in den Reaktor überführt.The porous medium can be filled into the reactor in natural or disturbed storage. Disturbed storage here is to be understood as the filling with previously removed porous medium in an artificial stratification. In the case of filling with porous media in natural storage, an exact image of the natural stratification is taken, for which purpose the substrate is removed, for example, with liner core bores and transferred to the reactor while maintaining the natural storage.

Der mit dem zu untersuchenden porösen Medium unter wassergesättigten Bedingungen im unteren Teil gefüllte Reaktor wird zunächst mit dem Wasser turbulenzfrei aufgefüllt, so dass sich dann im oberen Teil des Reaktors der zu untersuchende Wasserkörper befindet. Der Wasserkörper umfasst vorzugsweise eine Wasserprobe, welche aus einem zu untersuchenden Oberflächenwasser entnommen wurde. Bevorzugt besteht der Wasserkörper aus Wasser aus natürlichen oder künstlichen Fließgewässern, natürlichen oder künstlichen stehenden Gewässern, Sickerwässern, Brunnenwässern oder unterirdischen Gewässern.The reactor filled with the porous medium to be examined under water-saturated conditions in the lower part is first filled with turbulence-free water so that the water body to be examined is then located in the upper part of the reactor. The water body preferably comprises a water sample taken from a surface water to be examined. The body of water preferably consists of water from natural or artificial running waters, natural or artificial stagnant waters, leachate, well water or underground waters.

Um eine homogene Stoffverteilung im gesamten Wasserkörper zu erzielen, wird der Wasserkörper im Kreislauf gepumpt.In order to achieve a homogeneous distribution of substances throughout the body of water, the water body is pumped in the circulation.

Der Druck, welcher auf das poröse Medium unter natürlichen Bedingungen wirkt, lässt sich unterteilen in den hydrostatischen Druck, also jenen Druck, welcher sich im natürlichen System unmittelbar über dem zu untersuchenden porösen Medium einstellt und den Druckunterschieden, welche sich aus der natürlichen Bewegung des Gewässers, wie z. B. der Wellenbewegung oder Strömung, ergeben.The pressure, which acts on the porous medium under natural conditions, can be subdivided into the hydrostatic pressure, that is, the pressure which in the natural system adjusts immediately above the porous medium to be examined and the pressure differences resulting from the natural movement of the water , such as As the wave motion or flow.

Die im natürlichen Oberflächengewässer auf das zu untersuchende poröse Medium einwirkenden Druckunterschiede, die über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich vermittelt werden, werden in der Versuchsanlage eingestellt. Dabei erfolgt die Festlegung der einzustellenden Druckunterschiede vorzugsweise auf der Grundlage der Auswertung von Monitoringdaten des zu untersuchenden Feldbereichs und/oder aus vergleichbaren früheren Untersuchungen und/oder modellgestützt und/oder mit Hilfe anderer geeigneter Verfahren.The pressure differences acting in the natural surface water on the porous medium to be examined, which are communicated via the body of water and / or the groundwater, are set in the experimental plant. In this case, the determination of the pressure differences to be set preferably takes place on the basis of the evaluation of monitoring data of the field area to be examined and / or comparable earlier examinations and / or model-based and / or with the aid of other suitable methods.

Im Anschluss erfolgt die Einstellung der Konzentrationsdifferenz des zu untersuchenden Stoffes im Wasserkörper. Je nach der Richtung des Stoffaustauschs, welcher entweder aus dem porösen Medium in den Wasserkörper oder aus dem Wasserkörper in das poröse Medium abläuft, wird dem über dem porösen Medium befindlichen Wasserkörper zur Einstellung der Konzentrationsdifferenz eine bestimmte Menge des zu untersuchenden Stoffes entzogen bzw. zugegeben. Dabei wird durch Pumpen und Druckregulation in dem Wasserkörper eine homogene Stoffverteilung bei gleichzeitiger Einstellung der naturnahen Druckunterschiede erzielt.This is followed by the adjustment of the concentration difference of the substance to be investigated in the body of water. Depending on the direction of the mass transfer, which takes place either from the porous medium in the body of water or from the body of water in the porous medium, a certain amount of the substance to be examined is removed or added to the water body located above the porous medium to adjust the concentration difference. It is achieved by pumping and pressure regulation in the body of water, a homogeneous material distribution while adjusting the natural pressure differences.

Die Zugabe der zu untersuchenden Stoffe erfolgt bevorzugt als Stoffmasse. Der Entzug der zu untersuchenden Stoffe erfolgt vorzugsweise mittels Sorbentien. Besonders bevorzugt sind die Sorbentien im Kreislauf der Pumpe angebracht.The addition of the substances to be investigated is preferably carried out as a pulp. The withdrawal of the substances to be investigated is preferably carried out by means of sorbents. Particularly preferably, the sorbents are mounted in the circulation of the pump.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Stoffaustausch von Protonen bestimmt. Dafür wird durch die Zugabe von Säuren (vorzugsweise HCl) oder Laugen (vorzugsweise NaOH) der pH-Wert des Wasserkörpers, und somit eine Differenz der Protonenkonzentration zwischen Wasserkörper und porösem Medium, eingestellt.In a preferred embodiment of the invention, the mass transfer of protons is determined. For this purpose, the pH of the water body, and thus a difference in the proton concentration between the body of water and the porous medium, is adjusted by the addition of acids (preferably HCl) or alkalis (preferably NaOH).

Die Ermittlung der einzustellenden Konzentrationsdifferenz, die zu einem signifikanten und damit ermittelbaren Stoffaustausch führt, 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. Bevorzugt erfolgt die Ermittlung der einzustellenden Konzentrationsdifferenz auf der Grundlage von Vorversuchen.The determination of the concentration difference to be set, which leads to a significant and therefore determinable mass transfer, is based on preliminary tests and / or the evaluation of monitoring data of the field area to be considered and / or comparable previous investigations and / or model-based and / or with the help of others suitable method. The determination of the concentration difference to be set preferably takes place on the basis of preliminary experiments.

Vorzugsweise wird zuvor auf ebendieser Grundlage eine Stoffkonzentration als Grenzkonzentration definiert, bis zu welcher der Stoffaustausch zwischen Wasserkörper und porösem Medium erfasst wird. Preferably, a substance concentration is defined beforehand on this basis as a limit concentration up to which the mass transfer between the water body and the porous medium is detected.

Nach der Einstellung der Konzentrationsdifferenz erfolgt die Bestimmung der Stoffkonzentration im Wasserkörper in Abhängigkeit von der Zeit. Die Bestimmung der Stoffkonzentration kann dabei sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen. Eine kontinuierliche Bestimmung des Konzentrationsverlaufs erfolgt vorzugsweise direkt oder indirekt mittels Elektroden oder Sensitroden, mit denen während des gesamten Verfahrens die Stoffkonzentration gemessen wird. Dabei werden im Wasserkörper vorzugsweise die Milieukennwerte, wie Sauerstoffgehalt, Sauerstoffsättigung, pH-Wert, Redoxspannung und elektrische Leitfähigkeit gemessen. Eine diskontinuierliche Bestimmung der Stoffkonzentration erfolgt bevorzugt für die Untersuchung von Stoffen, die nicht mittels Elektroden oder Sensitroden detektierbar sind. Vorzugsweise erfolgt dabei die Bestimmung in Wasserproben, welche dem Wasserkörper zeitlich diskret entnommen werden.After adjusting the concentration difference, the determination of the substance concentration in the water body as a function of time. The determination of the substance concentration can take place both continuously and discontinuously. A continuous determination of the concentration profile is preferably carried out directly or indirectly by means of electrodes or sensitometers, with which the substance concentration is measured during the entire process. In this case, the environmental parameters, such as oxygen content, oxygen saturation, pH value, redox voltage and electrical conductivity, are preferably measured in the water body. A discontinuous determination of the substance concentration is preferably carried out for the investigation of substances which are not detectable by means of electrodes or sensitizers. Preferably, the determination is carried out in water samples, which are removed from the body of water discreetly in time.

Die Bestimmung der Stoffkonzentration im Wasserkörper erfolgt vorzugsweise so lang, bis diese der zuvor definierten Grenzkonzentration entspricht. Beim Stoffaustausch aus dem porösen Medium in den Wasserkörper ist die Grenzkonzentration höher als die zu Beginn eingestellte Stoffkonzentration im Wasserkörper (obere Grenzkonzentration). Beim Stoffaustausch aus dem Wasserkörper in das poröse Medium ist die Grenzkonzentration niedriger als die zu Beginn eingestellte Stoffkonzentration im Wasserkörper (untere Grenzkonzentration).The determination of the substance concentration in the water body preferably takes place until it corresponds to the previously defined limit concentration. In the mass transfer from the porous medium into the water body, the limit concentration is higher than the initially set substance concentration in the body of water (upper limit concentration). When mass transfer from the water body in the porous medium, the limit concentration is lower than the initially set substance concentration in the body of water (lower limit concentration).

Hat die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes die zuvor definierte untere bzw. obere Grenzkonzentration erreicht, erfolgt bevorzugt eine erneute Zugabe bzw. ein erneuter Entzug des zu untersuchenden Stoffes.If the concentration of the substance to be investigated has reached the previously defined lower or upper limit concentration, a new addition or a renewed withdrawal of the substance to be examined is preferably carried out.

Der Prozess von der Einstellung der Konzentrationsdifferenz bis zum Erreichen der unteren bzw. oberen Grenzkonzentration wird als Versuchsschritt bezeichnet. Vorzugsweise werden mehrere Versuchsschritte nacheinander durchgeführt. Besonders bevorzugt erfolgt dabei zu Beginn der anschließenden Versuchsschritte die Einstellung der gleichen Konzentrationsdifferenz wie im ersten Versuchsschritt.The process from setting the concentration difference to reaching the lower or upper limit concentration is referred to as an experimental step. Preferably, several test steps are performed sequentially. Particularly preferably, the setting of the same concentration difference takes place at the beginning of the subsequent test steps as in the first test step.

Nach dem Abschluss des Versuchs wird die Stoffkonzentration im porösen Medium ermittelt. Basierend auf den erhaltenen Daten werden die Stoffaustauschraten 1. Ordnung durch das erfindungsgemäße Verfahren auf der Grundlage

– der Konzentrationsänderung (Konzentrationsabnahme oder Konzentrationszunahme) der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsschritt,
– der Konzentrationsänderung der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsschritt,
– der Konzentrationsänderung der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom ersten bis zum letzten Versuchsschritt und
– der Stoffkonzentration im porösen Medium nach Abschluss des Versuchs

ermittelt.After completion of the experiment, the substance concentration in the porous medium is determined. Based on the obtained data, the 1st order mass transfer rates are determined by the method of the present invention

The change in concentration (decrease in concentration or increase in concentration) of the substances to be investigated as a function of time, based on a test step,
The change in concentration of the substances to be investigated as a function of time in each further test step,
- The change in concentration of the substances to be tested as a function of time from the first to the last experimental step and
- the substance concentration in the porous medium after completion of the experiment

determined.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt Stoffaustauschraten nullter Ordnung zwischen Wasserkörper und porösem Medium bestimmt. Besonders bevorzugt werden mit dem Verfahren Stoffaustauschraten erster Ordnung zwischen Wasserkörper und porösem Medium bestimmt.With the method according to the invention, preference is given to determining zero-order mass transfer rates between the water body and the porous medium. With particular preference, the method determines first-order mass transfer rates between the water body and the porous medium.

Der Stoffaustausch zwischen Wasserkörper und porösen Medien setzt sich aus zwei Teilprozessen, der Stoffdiffusion und der hydrodynamischen Dispersion, zusammen. Entsprechend den natürlich wirkenden Druckunterschieden im Wasservolumen über dem porösen Medium und den hydraulischen Eigenschaften des bzw. der porösen Medien ändern sich die Anteile von Diffusion und hydrodynamischer Dispersion an dem Stoffaustauschprozess zwischen Wasserkörper und porösem Medium. Bisher wurde der Anteil der hydrodynamischen Dispersion unterschätzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher bevorzugt die Stoffaustauschraten bestimmt, die aus der Stoffdiffusion und der hydrodynamischen Dispersion resultieren. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Stoffaustauschraten bestimmt, die aus der Stoffdiffusion resultieren.The mass transfer between the water body and the porous media consists of two sub-processes, the substance diffusion and the hydrodynamic dispersion. In accordance with the naturally acting pressure differences in the water volume over the porous medium and the hydraulic properties of the porous media, the proportions of diffusion and hydrodynamic dispersion change in the mass transfer process between the water body and the porous medium. So far, the proportion of hydrodynamic dispersion has been underestimated. The process according to the invention therefore preferably determines the mass transfer rates which result from the mass diffusion and the hydrodynamic dispersion. In a further embodiment of the invention, the mass transfer rates are determined, resulting from the material diffusion.

Die Erfindung kann mittels einer Vorrichtung zur Ermittlung von Stoffaustauschraten zwischen einem Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern, bei der die Stoffaustauschraten unter naturnahen Bedingungen bestimmt werden, realisiert werden. Die Vorrichtung umfasst folgende Bauteile:

– einen offen oder geschlossen betriebenen, mit dem Wasserkörper und dem porösen Medium in natürlicher oder gestörter Lagerung jeweils teilgefüllten Reaktor, wobei die Größe des Reaktors so bemessen ist, dass die Höhe des im Reaktor befindlichen Mediums mindestens dem fünffachen des Reaktordurchmessers beträgt,
– mindestens ein Drucksystem zur Einstellung der naturnahen Druckunterschiede, die über den Wasserkörper auf die porösen Medien wirken,
– mindestens eine Pumpe mit einem Kreislaufbetrieb zur Erzeugung einer homogenen Stoffverteilung im Wasserkörper,
– mindestens ein Druckausgleichsystem zur Simulation der naturnahen Strömungsprozesse im porösen Medium,
– mindestens eine Steuer-, Analyse- und/oder Auswerteeinrichtung und
– mindestens eine Messeinrichtung.

The invention can be realized by means of a device for determining mass transfer rates between a body of water and porous media in surface waters in which the mass transfer rates are determined under near-natural conditions. The device comprises the following components:

- An open or closed operated, with the water body and the porous medium in natural or disturbed storage in each case partially filled reactor, wherein the size of the reactor is dimensioned so that the height of the medium in the reactor is at least five times the reactor diameter,
At least one pressure system for adjusting the near-natural pressure differences which act on the porous media via the water body,
At least one pump with a circulation operation for producing a homogeneous substance distribution in the water body,
At least one pressure compensation system for simulating the near-natural flow processes in the porous medium,
- At least one control, analysis and / or evaluation and
- At least one measuring device.

Die naturnahen Bedingungen betreffen neben der Einhaltung der Temperaturbedingungen vor allem die wirksamen Konzentrationsgradienten, die Lagerungsdichte des porösen Mediums, die ungestörte Kontaktfläche zwischen Wasserkörper und porösen Medium, die sich in Folge der zu untersuchenden Prozesse ergebenden Ablagerungen auf dem porösen Medium sowie die den Stoffaustausch beeinflussenden Prozesse der Diffusion und der hydrodynamischen Dispersion.In addition to compliance with the temperature conditions, the near-natural conditions relate above all to the effective concentration gradients, the storage density of the porous medium, the undisturbed contact surface between water body and porous medium, the deposits on the porous medium resulting from the processes to be investigated and the processes influencing the mass transfer diffusion and hydrodynamic dispersion.

Der Reaktor kann offen oder geschlossen betrieben werden. Bei offenem Betrieb ist die Grenzfläche zwischen Wasser und Atmosphäre offen. Bei geschlossenem Betrieb ist die Grenzfläche zwischen Wasser und Atmosphäre geschlossen.The reactor can be operated open or closed. When open, the interface between water and atmosphere is open. When closed, the interface between water and atmosphere is closed.

Die Wahl des Materials, woraus der Reaktor zu fertigen ist, erfolgt in Abhängigkeit der zu untersuchenden Stoffe. Dabei sind die Materialeinflüsse auf die zu untersuchenden Prozesse bzw. Stoffe zu verhindern bzw. zu minimieren. Bevorzugt besteht der Reaktor aus Kunststoff, kunststoffbeschichtetem Metall, Glas oder Metall.The choice of material, from which the reactor is to be made, is dependent on the substances to be investigated. The material influences on the processes or substances to be investigated must be prevented or minimized. The reactor preferably consists of plastic, plastic-coated metal, glass or metal.

Der Reaktor ist mit porösem Medium und dem Wasserkörper jeweils teilgefüllt. Dies bedeutet, dass das wassergesättigte poröse Medium in den unteren Teil des Reaktors in natürlicher oder gestörter Lagerung eingefüllt wurde und sich darüber der Wasserkörper befindet, welcher turbulenzfrei mithilfe einer Pumpe eingebracht wurde.The reactor is partially filled with porous medium and the water body. This means that the water-saturated porous medium was filled in the lower part of the reactor in natural or disturbed storage and above it is the body of water, which was introduced turbulence-free by means of a pump.

Die Größe des Reaktors ist so bemessen, dass vorzugsweise eindimensionale Prozesse im zu untersuchenden porösen Medium wirken. Dies wird dadurch erzielt, dass der Reaktor so dimensioniert ist, dass die Höhe des im Reaktor befindlichen porösen Mediums mindestens das Fünffache des Reaktordurchmessers beträgt. Vorzugsweise ist der Reaktor so bemessen, dass bei den erforderlichen Probenahmen das insgesamt zu entnehmende Wasservolumen maximal 10% des Gesamtwasservolumens des im Reaktor befindlichen Wasserkörpers beträgt.The size of the reactor is such that preferably one-dimensional processes in the porous medium to be examined act. This is achieved by dimensioning the reactor so that the height of the porous medium in the reactor is at least five times the reactor diameter. Preferably, the reactor is dimensioned so that the total required water volume in the required sampling amounts to a maximum of 10% of the total water volume of the water body located in the reactor.

Die Vorrichtung ist mit einem Drucksystem ausgestattet, welches zur Einstellung der naturnahen Druckunterschiede dient. Darunter sind die Druckunterschiede zu verstehen, die im Feldbereich (also unter natürlichen Bedingungen) über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich auf die porösen Medien wirken. Diese können beispielsweise aus der Wellenbewegung, aus Strömungsprozessen und anderen im Grenzbereich zwischen Wasserkörper und porösen Medien wirkenden Prozessen resultieren.The device is equipped with a pressure system, which serves to adjust the natural pressure differences. These are to be understood as the pressure differences which act on the porous media in the field area (ie under natural conditions) via the body of water and / or the groundwater area. These can result, for example, from the wave motion, from flow processes and other processes acting in the boundary region between water body and porous media.

In einer ersten Variante des Verfahrens wird der Reaktor geschlossen betrieben. Dabei umfasst die verwendete Vorrichtung bevorzugt ein Drucksystem, welches zur Einstellung des im natürlichen Oberflächengewässer an der Grenzfläche zwischen Wasserkörper und porösem Medium wirkenden hydrostatischen Drucks in Form eines Vordruckes dient. Unter dem Vordruck ist hierbei der Druck zu verstehen, der sich im Feldbereich an der Grenzfläche zwischen Wasserkörper und porösen Medium unter dem Einfluss des hydrostatischen Druckes einstellt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eines geschlossen betriebenen Reaktors umfasst die Vorrichtung ein Drucksystem, welches sowohl den Vordruck als auch die naturnahen Druckunterschiede erzeugt.In a first variant of the method, the reactor is operated closed. In this case, the device used preferably comprises a pressure system, which serves for adjusting the hydrostatic pressure acting in the natural surface water at the interface between the body of water and the porous medium in the form of a pre-pressure. The term "admission pressure" is understood to mean the pressure which occurs in the field area at the interface between the body of water and the porous medium under the influence of the hydrostatic pressure. In a particularly preferred embodiment of a closed-type reactor, the device comprises a pressure system which generates both the admission pressure and the natural pressure differences.

Die Vorrichtung umfasst auch mindestens eine Pumpe, welche im Kreislauf betrieben wird. Dadurch wird eine homogene Verteilung des zu untersuchenden Stoffs im Wasserkörper erzielt.The device also comprises at least one pump which is operated in the circuit. This achieves a homogeneous distribution of the substance to be investigated in the water body.

Um die naturnahen Strömungsprozesse im Porensystem des zu untersuchenden porösen Mediums zu simulieren, umfasst die Vorrichtung mindestens einem Druckausgleichsystem. Dieses ist an der Unterseite des Reaktors angebracht und dient dadurch zur Simulation der Porenwasserbewegung, welche unter natürlichen Bedingungen aufgrund der Druckunterschiede, die über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich auf das poröse Medium wirken, erzeugt wird.In order to simulate the near-natural flow processes in the pore system of the porous medium to be investigated, the device comprises at least one pressure equalization system. This is at the bottom of the Reactor mounted and thereby serves to simulate the pore water movement, which under natural conditions due to the pressure differences, which act on the water body and / or the groundwater area on the porous medium, is generated.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung auch eine Messeinrichtung für die Aufnahme des Druckverlaufes im Porensystem des porösen Mediums und im Wasserkörper. Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Messeinrichtung für die Aufnahme von Sauerstoffkonzentration, pH-Wert, Redoxspannung, elektrischer Leitfähigkeit und/oder Temperatur auf. Ganz besonders bevorzugt enthält die Messeinrichtung Sensitroden.Preferably, the device also comprises a measuring device for recording the pressure profile in the pore system of the porous medium and in the body of water. Particularly preferably, the device has a measuring device for receiving oxygen concentration, pH, ORP, electrical conductivity and / or temperature. Most preferably, the measuring device contains Sensitroden.

In einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Reaktor offen betrieben. Dabei weist die Vorrichtung vorzugsweise einen Verdunstungsschutz auf. Besonders bevorzugt werden offene Membranen als Verdunstungsschutz verwendet.In a further variant of the method, the reactor is operated open. In this case, the device preferably has an evaporation protection. Particularly preferred open membranes are used as evaporation protection.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wie folgt betrieben:
Die Reaktoren werden mit porösen Medien in gestörter oder natürlicher Lagerung unter wassergesättigten Bedingungen gefüllt. Mit Hilfe einer Pumpe erfolgt anschließend die turbulenzfreie Füllung des Reaktors mit dem Wasserkörper.The device for carrying out the method according to the invention is operated as follows:
The reactors are filled with porous media in disturbed or natural storage under water saturated conditions. With the help of a pump then the turbulence-free filling of the reactor with the water body.

Im Anschluss erfolgt die Einstellung der Stoffkonzentration des zu untersuchenden Stoffs im Wasserkörper und damit die Einstellung einer Konzentrationsdifferenz zwischen Wasserkörper und porösem Medium. Dabei wird das Wasser im Kreislauf gepumpt (Homogenisierung), um eine homogene Stoffverteilung im gesamten Wasserkörper erzielen zu können. Bevorzugt werden die Stoffaustauschraten mehrerer Stoffe untersucht.This is followed by the adjustment of the substance concentration of the substance to be investigated in the water body and thus the adjustment of a concentration difference between water body and porous medium. The water is pumped in the circulation (homogenization) in order to achieve a homogeneous distribution of substances throughout the body of water. The mass transfer rates of several substances are preferably investigated.

Unmittelbar nach Beginn der Homogenisierung des Wasserkörpers erfolgt die Inbetriebnahme des Drucksystems zur Einstellung der naturnahen Druckunterschiede, die über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich auf die zu untersuchenden porösen Medien wirken.Immediately after the beginning of the homogenization of the water body, the commissioning of the pressure system for adjusting the natural pressure differences, which act on the water body and / or the groundwater area on the porous media to be examined takes place.

Bei offenem Betrieb des Reaktors erfolgt die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper des Reaktors vorzugsweise durch einen Verdrängungskörper.In open operation of the reactor, the production of pressure differences in the body of water of the reactor is preferably carried out by a displacement body.

Bei geschlossenem Betrieb des Reaktors erfolgt die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper bevorzugt durch einen Kolben. Dabei ermöglicht das in der Vorrichtung enthaltene Drucksystem vorzugsweise die Einstellung des im porösen Medium unter natürlichen Bedingungen herrschenden hydrostatischen Drucks.When the reactor is closed, the pressure differences in the body of water are preferably generated by a piston. In this case, the pressure system contained in the device preferably allows the adjustment of the prevailing in the porous medium under natural conditions hydrostatic pressure.

Die Messung bzw. Analyse der Konzentration des im Wasserkörper zu untersuchenden Stoffes erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich. Vorzugsweise wird der Konzentrationsverlauf direkt oder indirekt mittels Elektroden bzw. Sensitroden gemessen. Sind die zu analysierenden Stoffe nicht mittels Sensitroden ermittelbar, so erfolgt die zeitlich diskrete Entnahme von Wasserproben. Die Festlegung der Probennahmezeitpunkte erfolgt vorzugsweise auf der Grundlage indirekter Konzentrationsbestimmungen, wie über pH-Wert und/oder die elektrische Leitfähigkeit bzw. über sensitive Elektroden. Das im Rahmen der Probennahme insgesamt zu entnehmende Wasservolumen beträgt vorzugsweise maximal 10% des Gesamtwasservolumens des im Reaktor befindlichen Wasserkörpers.The measurement or analysis of the concentration of the substance to be investigated in the body of water takes place continuously or discontinuously. Preferably, the concentration profile is measured directly or indirectly by means of electrodes or sensitometers. If the substances to be analyzed can not be determined by means of sensor probes, the time-discrete removal of water samples takes place. The determination of the sampling times is preferably carried out on the basis of indirect concentration determinations, such as via pH and / or the electrical conductivity or via sensitive electrodes. The total volume of water to be taken during the sampling is preferably not more than 10% of the total water volume of the water body in the reactor.

Durch das entwickelte Verfahren wird die Ermittlung von Stoffaustauschraten 1. Ordnung in porösen Medien im Labormaßstab erstmals möglich.The developed method enables the determination of first-order mass transfer rates in porous media on a laboratory scale for the first time.

Anhand beigefügter Darstellungen werden Beispiele der verwendeten Vorrichtung näher erläutert. Dabei zeigenOn the basis of attached diagrams, examples of the device used are explained in more detail. Show

1 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der Stoffaustauschraten 1. Ordnung bei offenem Reaktorbetrieb 1 Flow diagram of a device for determining the mass transfer rates of the first order with open reactor operation

2 Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der Stoffaustauschraten 1. Ordnung bei geschlossenem Reaktorbetrieb 2 Flow diagram of a device for determining the mass transfer rates of 1st order with closed reactor operation

3 Verlauf des pH-Wertes in einem offen betriebenen Reaktor bei drei Versuchsschritten three Course of the pH in an open operated reactor in three experimental steps

Beispiel 1: Example 1:

1 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der Stoffaustauschrate 1. Ordnung zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern unter Verwendung eines Reaktors bei offenem Betrieb. 1 Figure 11 shows a flow chart of a device for determining the first order mass transfer rate between water bodies and porous media in surface waters using an open-ended reactor.

Die Vorrichtung besteht aus einem Reaktor, der mit dem zu untersuchenden porösen Medium und Wasserkörper gefüllt ist, an dessen Unterseite eine Schlauchleitung mit Druckmesssystem für die Bestimmung der Porenwasserbewegung, resultierend aus den unter natürlichen Bedingungen über den Wasserkörper auf das poröse Medium wirkenden Druckunterschiede, angeordnet wurde, einer Pumpe zur Homogenisierung der Stoffverteilung im Wasserkörper, einer Druckerzeugungseinheit in Form eines Verdrängungskörpers, einer offenen Membran für den Verdunstungsschutz, einer Druckmesseinheit und einer Steuer-, Analyse- und Auswerteeinrichtung.The device consists of a reactor which is filled with the porous medium to be examined and water body, on the underside of a hose line with pressure measuring system for the determination of the pore water movement, resulting from acting under natural conditions on the water body on the porous medium pressure differences was arranged , a pump for homogenizing the material distribution in the water body, a pressure generating unit in the form of a displacement body, an open membrane for the evaporation protection, a pressure measuring unit and a control, analysis and evaluation.

Der Reaktor wird mit porösem Medium in gestörter bzw. natürlicher Lagerung unter wassergesättigten Bedingungen gefüllt. Mit Hilfe der Pumpe erfolgt anschließend die turbulenzfreie Auffüllung des Reaktors mit Versuchswasser.The reactor is filled with porous medium in disturbed or natural storage under water-saturated conditions. With the help of the pump then the turbulence-free filling of the reactor with test water.

Im Anschluss erfolgt die Einstellung der Stoffkonzentration des zu untersuchenden Stoffs im Wasserkörper und damit die Einstellung einer Konzentrationsdifferenz zwischen Wasserkörper und porösem Medium. Dabei wird das Wasser zur Erzielung einer homogenen Stoffverteilung im Kreislauf gepumpt (Homogenisierung).This is followed by the adjustment of the substance concentration of the substance to be investigated in the water body and thus the adjustment of a concentration difference between water body and porous medium. The water is pumped in the circulation to achieve a homogeneous material distribution (homogenization).

Unmittelbar nach Beginn der Homogenisierung des Wasserkörpers erfolgt die Inbetriebnahme des Drucksystems für die Einstellung der naturnahen Druckunterschiede, die über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich auf das zu untersuchende poröse Medium wirken. Dabei erfolgt die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper des Reaktors mit Hilfe des Verdrängungskörpers.Immediately after the beginning of the homogenization of the water body, the commissioning of the pressure system for the adjustment of the natural pressure differences, which act on the water body and / or the groundwater area on the porous medium to be examined takes place. In this case, the generation of pressure differences in the body of water of the reactor takes place with the aid of the displacement body.

Die Messung bzw. Analyse der Konzentrationen des im Wasser zu untersuchenden Stoffes erfolgt kontinuierlich bzw. diskontinuierlich über die Steuer-, Analyse- und Auswerteeinrichtung.The measurement or analysis of the concentrations of the substance to be investigated in the water takes place continuously or discontinuously via the control, analysis and evaluation device.

Hat die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes die zuvor definierte untere bzw. obere Grenzkonzentration erreicht, erfolgt eine erneute Zugabe bzw. ein erneuter Entzug des zu untersuchenden Stoffes. Die Versuchsschritte werden mehrmals wiederholt, wobei zu Beginn der anschließenden Versuchsschritte die Einstellung der gleichen Konzentrationsdifferenz wie im ersten Versuchsschritt erfolgt.If the concentration of the substance to be examined has reached the previously defined lower or upper limit concentration, a new addition or a renewed withdrawal of the substance to be investigated takes place. The test steps are repeated several times, wherein at the beginning of the subsequent test steps, the setting of the same concentration difference as in the first test step.

Nach Beendigung des Versuchs wird die Stoffkonzentration im porösen Medium bestimmt.After completion of the experiment, the substance concentration in the porous medium is determined.

Die Analyse der Stoffaustauschraten 1. Ordnung erfolgt auf der Grundlage der Konzentrationsänderung (entweder Konzentrationsabnahme oder Konzentrationszunahme) der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit, bezogen auf einen Versuchsschritt, der Konzentrationsänderung der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit in jedem weiteren Versuchsschritt, der Konzentrationsänderung der zu untersuchenden Stoffe in Abhängigkeit von der Zeit vom ersten bis zum letzten Versuchsschritt und der Stoffkonzentration im porösen Medium nach Abschluss des Versuchs.The analysis of the mass transfer rates of the first order takes place on the basis of the change in concentration (either decrease in concentration or concentration increase) of the substances to be investigated as a function of time, based on a test step, of the change in concentration of the substances to be investigated as a function of time in each further test step, the change in concentration of the substances to be investigated as a function of the time from the first to the last experimental step and the substance concentration in the porous medium after the end of the experiment.

Beispiel 2:Example 2:

2 zeigt ein Fließbild einer Vorrichtung zur Ermittlung der Stoffaustauschrate 1. Ordnung zwischen Wasserkörper und porösen Medien in Oberflächengewässern unter Verwendung eines Reaktors bei geschlossenem Betrieb. 2 shows a flow diagram of a device for determining the first-order mass transfer rate between water body and porous media in surface waters using a reactor in closed operation.

Die Vorrichtung besteht aus einem Reaktor, der mit dem zu untersuchenden porösen Medium und Wasserkörper gefüllt ist, an dessen Unterseite eine Schlauchleitung mit Druckmesssystem für die Bestimmung der Porenwasserbewegung, resultierend aus den unter natürlichen Bedingungen über den Wasserkörper auf das poröse Medium wirkenden Druckunterschiede, angeordnet wurde, einer Pumpe zur Homogenisierung der Stoffverteilung im Wasserkörper, einer Druckerzeugungseinheit in Form eines Kolbens, der über eine Membran die Oberseite des Reaktors abdichtet, einer Druckmesseinheit und einer Steuer-, Analyse- und Auswerteeinrichtung.The device consists of a reactor which is filled with the porous medium to be examined and water body, on the underside of a hose line with pressure measuring system for the determination of the pore water movement, resulting from acting under natural conditions on the water body on the porous medium pressure differences was arranged , a pump for homogenizing the material distribution in the water body, a pressure generating unit in the form of a piston which seals the top of the reactor via a membrane, a pressure measuring unit and a control, analysis and evaluation.

Der Reaktor wird mit porösem Medium in gestörter bzw. natürlicher Lagerung unter wassergesättigten Bedingungen gefüllt. Mit Hilfe der Pumpe erfolgt anschließend die turbulenzfreie Auffüllung des Reaktors mit Versuchswasser. The reactor is filled with porous medium in disturbed or natural storage under water-saturated conditions. With the help of the pump then the turbulence-free filling of the reactor with test water.

Unmittelbar nach Beginn der Homogenisierung des Wasserkörpers erfolgt die Inbetriebnahme des Drucksystems für die Einstellung der naturnahen Druckunterschiede, die über den Wasserkörper und/oder den Grundwasserbereich auf das zu untersuchende poröse Medium wirken. Dabei erfolgt die Erzeugung der Druckunterschiede im Wasserkörper des Reaktors durch einen Kolben, wobei der an der Grenzfläche zwischen Wasserkörper und porösem Medium in Oberflächengewässern wirkende hydrostatische Druck in Form eines Vordruckes eingestellt wird.Immediately after the beginning of the homogenization of the water body, the commissioning of the pressure system for the adjustment of the natural pressure differences, which act on the water body and / or the groundwater area on the porous medium to be examined takes place. In this case, the production of pressure differences in the body of water of the reactor is carried out by a piston, wherein the acting at the interface between water body and porous medium in surface waters hydrostatic pressure is set in the form of a form.

Beispiel 3:Example 3:

In Ausführungsbeispiel 3 wurden die Stoffaustauschraten 1. Ordnung zwischen dem Wasser eines Tagebaufolgesees und dem daran angrenzenden Kippensediment mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei offenem Betrieb ermittelt. Die Durchführung erfolgte gemäß 1 mit einem Reaktor bei einer Temperatur von ca. 18°C, die der Temperatur im Flachwasserbereich entspricht. Der Reaktor wurde mit Kippensediment und Wasserkörper aus dem Tagebaufolgesee gefüllt. Der Aufbau der Vorrichtung entspricht dem in Ausführungsbeispiel 1 erläuterten Aufbau.In Example 3, the first-order mass transfer rates between the water of an open-pit mining lake and the tilting sediment adjacent thereto were determined by means of the method according to the invention with the device according to the invention in open operation. The implementation was carried out according to 1 with a reactor at a temperature of about 18 ° C, which corresponds to the temperature in the shallow water area. The reactor was filled with tipping sediment and water body from the open-pit mine lake. The structure of the device corresponds to the structure explained in Example 1.

Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung der Stoffaustauschrate 1. Ordnung für den Fall der Neutralisation des Tagebaufolgesees. Es wurde die Zunahme der Protonenkonzentration als Funktion der Zeit bestimmt.The aim of the investigations was to determine the mass transfer rate of the first order in the case of neutralization of the open-pit mining lake. The increase in proton concentration as a function of time was determined.

Es wurde zu Beginn des Versuchs eine Protonenkonzentration von pH 6,0 im Wasserkörper durch die Zugabe von NaOH eingestellt. Als untere Grenzkonzentration wurde pH 3,5 festgelegt.At the beginning of the experiment, a proton concentration of pH 6.0 in the water body was adjusted by the addition of NaOH. The lower limit concentration was set at pH 3.5.

Der Aufbau der Vorrichtung erfolgte komplett aus Kunststoff. Das gestört entnommene Kippensediment wurde unter sauerstofffreier Atmosphäre in den Reaktor eingefüllt. Als Versuchswasser wurde das Wasser aus dem Tagebaufolgesee verwendet. Insgesamt wurden 3 Versuchsschritte durchgeführt, in denen zunächst die Einstellung des pH-Werts im Wasserkörper auf einen pH-Wert von ca. 6,0 bis 7,0 erfolgte und anschließend der pH-Wert diskontinuierlich gemessen wurde.The construction of the device was completely made of plastic. The tilted removed sediment was filled into the reactor under an oxygen-free atmosphere. As test water, the water from the open-cast mining lake was used. A total of 3 test steps were carried out, in which first the pH of the water body was adjusted to a pH of about 6.0 to 7.0 and then the pH value was measured discontinuously.

Die 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des im Reaktor gemessenen und mit Gleichung (1) berechneten pH-Werts im Wasserkörper über dem Kippensediment. Aus den drei Versuchsschritten wurden vor allem folgende Schlussfolgerungen abgeleitet:

– es bestehen keine signifikanten Unterschiede in den drei Kurvenverläufen, daraus folgt, dass die Freisetzung der im Kippensediment gebundenen Acidität nicht abgeschlossen ist und
– die Aciditätsfreisetzung nicht linear ist Dementsprechend wurde die Stoffaustauschrate 1. Ordnung gemäß folgender Gleichung (1) berechnet:
wobei t: Versuchszeit in d C_t/C_o: Verhältnis zwischen Stoffkonzentration nach einer Versuchszeit t und Stoffkonzentration zu Versuchsbeginn, entspricht prozentualer Abnahme auf x % der Ausgangskonzentration k: Ratenkonstante in 1/d

The three shows the time course of the measured in the reactor and calculated with equation (1) pH in the body of water above the tipping sediment. The following conclusions were derived from the three experimental steps:

There are no significant differences in the three curves, it follows that the release of the acidity bound in the tipping sediment is not complete and
- the acidity release is not linear Accordingly, the first order mass transfer rate was calculated according to the following equation (1):
where t: test time in d C _t / C _o : ratio between substance concentration after a test time t and substance concentration at the start of the test, corresponds to a percentage decrease to x% of the initial concentration k: rate constant in 1 / d

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung war es somit möglich, die Stoffabbauraten 1. Ordnung unter naturnahen Bedingungen zu ermitteln.By means of the method according to the invention and the apparatus used for carrying out the method, it was thus possible to determine the first-stage decomposition rates under natural conditions.

Claims

Method for determining mass transfer rates between a body of water and porous media in surface waters, wherein the body of water in an open or closed reactor filled in the lower part with a water-saturated porous medium in natural or disturbed storage and in the upper part with the water body is pumped in the circulation in order to achieve a homogeneous distribution of the substance under investigation in the water body and the pressure differences acting in the natural surface water on the porous medium are generated and at least once the adjustment of a concentration difference of the substance to be examined between the water body and the porous medium and then determining the concentration of the substance in the body of water as a function of time, wherein the generation of the pressure differences in the body of water in open operation of the reactor by a displacement body and at closed operation of the reactor is carried out by a piston.

A method according to claim 1, characterized in that the determination of the substance concentration in the body of water takes place until the substance concentration corresponds to a previously defined limit concentration.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the porous media consist of tilting substrates, excavated soil, dredged material, sludges, disturbed and / or undisturbed sediments.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the water body consists of water from natural or artificial running waters, natural or artificial stagnant water, leachate, well water or underground waters.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mass transfer rates on the basis of - the change in concentration (decrease in concentration or concentration increase) of the substances to be investigated as a function of time, based on a test step, - the concentration change of the substances to be examined depending of the time in each further test step, - the change in concentration of the substances to be investigated as a function of the time from the first to the last experimental step and - the substance concentration in the porous medium after completion of the experiment are determined.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that first-order mass transfer rates between water body and porous medium are determined.