Original paper

Einfluß der Sorptionskinetik auf das Verhalten organischer Schadstoffe im Untergrund: Transport, Grundwassergefährdung und Sanierung

[Influence of Sorption Kinetics on the Fate of Organic Contaminants in the Subsurface Environment: Transport, Groundwater Risk and Remediation]

Grathwohl, Peter; Merkel, Peter; Schüth, Christoph; Pyka, Willi

Kurzfassung

In kontrollierten Laborexperimenten wurde die Auswirkung der Sorptions- und Lösungskinetik auf den Transport organischer Schadstoffe und die Sanierung kontaminierter Standorte am Beispiel ausgewählter polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) untersucht. Langzeit-Batchexperimente (> 500 Tage) zur Sorptionskinetik von ausgewählten PAK in drei unterschiedlichen Aquifersanden zeigten, daß unter Umständen große Zeiträume notwendig sind, um ein Sorptionsgleichgewicht zu erreichen (über 100 Jahre bei Sanden mit hohem organischem Kohlenstoffgehalt und PAK mit hohem Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten). Säulenexperimente zum PAK-Transport im Grundwasser verliefen für alle untersuchten Materialien unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen. Die dabei bestimmten Retardationsfaktoren sind nicht mehr konstant, sondern hängen von der Abstandsgeschwindigkeit des Wassers sowie von der Säulenlänge (bzw. Fließstrecke) ab. Die aus den Retardationsfaktoren bestimmten Sorptionskoeffizienten sind um mehrere Größenordnungen kleiner als unter Gleichgewichtsbedingungen zu erwarten wäre, liegen aber über den nach den Ergebnissen der Batchexperimente für kurze Kontaktzeiten erwarteten Werten. Experimente zur Desorption von verschiedenen PAK aus kontaminierten Sanden von einem ehemaligen Gaswerksstandort zeigten, daß zur Desorption sehr lange Zeiträume notwendig sind (0,5--100 Jahre), in Übereinstimmung zu den Ergebnissen aus der Sorptionskinetik. Auch bei Laborexperimenten zur Lösung von PAK aus residualer Teerphase (Steinkohlenteer) wurde eine diffusionskontrollierte Freisetzung beobachtet. Die dabei im Teer bestimmten Diffusionskoeffizienten lassen ebenfalls erwarten, daß bei Untergrundverunreinigungen durch residuale Teerphasen vergleichsweise niedrige PAK-Austragsraten auftreten, die über sehr lange Zeiträume anhalten. Die gemessenen Desorptions- und Lösungsraten können die unter Feldbedingungen oft beobachtete Persitenz, geringe Mobilität und mangelnde Bioverfügbarkeit dieser Schadstoffe erklären.

Abstract

The effects of sorption- and dissolution kinetics on transport and remediation of organic pollutants (PAH) was investigated in controlled laboratory experiments. Longterm batch experiments (> 500 days) with selected PAHs in three different aquifer sands showed that in some cases long times were necessary to reach sorption equilibrium (more than 100 years for sands with high organic contents and PAHs with high octanol/water partition coefficients). Column experiments indicate that transport of PAHs for all investigated materials takes place under non equilibrium conditions. The measured retardation factors do not remain constant, but vary with flow velocity and column length. The sorption coefficients determined on the basis of the measured retardation factors are several orders of magnitude smaller than would be expected assuming equilibrium conditions, yet at the same time are higher than would be expected from batch experiments with short contact times. Desorption experiments using PAH-contaminated sands from a former gasworks site showed that long periods of time are necessary for desorption (0.5--100 years) which is in close agreement with the results of the sorption kinetic experiments. Dissolution experiments with a residual coal tar phase also showed that the release of PAHs is diffusion controlled. The measured diffusion coefficients indicate comparably small release rates for subsurface contaminations made up of residual tar phases, which will be persistent over long periods of time. The measured desorption- and dissolution rates are able to explain the persistence of these contaminants under field, conditions, their low mobility and their low bioavailability.

Keywords

Long-time experimentaquifersandcontaminationpolycyclic aromatic hydrocarbonsmigrationsorptiongroundwater riskremediation