6.1 Referenzläufe

Als Ausgangspunkt für die Überprüfung des Modellverhaltens bei unterschiedlichen Parameter-Konstellationen dienen Referenzläufe, die näherungsweise die Sanierungsverläufe der 35 Schadensfälle repräsentieren. Als Anfangskonzentrationen der Dieselölkontamination wurden jeweils 4 g/kg Trockensubstanz bzw. 10 g/kg Trockensubstanz angenommen. Die Biodegradation wird mit einer modifizierten Michaelis-Menten-Kinetik und einer Hill-Kinetik für die Sauerstofflimitierung beschrieben:

$$\ \frac{d\mathtt{ C\_HYDRO}}{dt} = \mathtt{RATE\_MAX} * \biggl(\f... ...ggr) * \bigg(\frac{\mathtt{[C\_HYDRO]}^2}{K_c^2 + \mathtt{[C\_HYDRO]}^2}\biggr)$$ (6.1)

C_HYDRO ist die Dieselölkonzentration, RATE_MAX die maximale Abbaurate und S_OXY die im Porenwasser gelöste Sauerstoffkonzentration. $K_{DO}$ und $K_C$ sind die Halbsättigungskonzentrationen von Sauerstoff oder Dieselöl in der jeweiligen Limitierungs-Kinetik. Die Werte der Parameter, mit denen das Modell initialisiert wurde, sind in Tabelle 6.1 aufgelistet.

Tabelle: Werte der Parameter, mit denen die Referenzläufe initialisiert wurden. Erklärung der Variablen in Anhang A. Die übrigen Modellparameter sind abgeleitet. Sie sind im Source Code (Anhang B und C) kommentiert.

Parameter	Wert	Parameter	Wert
P_OXY	0.275 $kg/m^3$	$K_c$	6 $g/kg$ TS
C_HYDRO	4 $g/kg$ TS oder 10 $g/kg$ TS	$\mathtt{Y\_HEIGHT}$	2 m
$\varepsilon$	0.45	$\mathtt{CELL\_HEIGHT}$	0.05 m
$W_{max}$	0.12 $kg/kg$ TS	$\mathtt{RATE\_BIOD\_MAX}$	0.15 g/kg TS pro Tag
$W_{min}$	0.10 $kg/kg$ TS	$\mathtt{THON}$	3.36 g/g Dieselöl
$s_{grains}$	2550 $kg/m^3$	$\mathtt{SIM\_TIME}$	365 Tage
$s_{water}$	1000 $kg/m^3$	Wendeintervall	alle 8 Wochen
$D_{air}$	$2.26*10^{-5} m^2/s$	WAT_CHANGE	20%
$K_{Henry}$	0.0013 mol/(kg * bar)	UPD_INTERVAL	1 Tag
$K_{DO}$	0.0005 mg/l

Neben dem Verlauf der Gesamtkonzentration des Dieselöls werden Durchschnittswerte für das innere, mittlere und äußere Drittel der Miete angegeben. Dadurch wird die zunehmende Sauerstofflimitierung in Abhängigkeit der Entfernung von der Oberfläche deutlich. Abb. 6.1 gibt die durchschnittlichen MKW-Gehalte für die beiden Läufe mit unterschiedlicher Anfangskonzentration wieder, Abb. 6.2 und Abb. 6.3 zeigen die Sanierungsverläufe mit der eben angesprochenen Differenzierung der Werte innerhalb der Miete.

Abbildung: Entwicklung des Dieselölgehaltes in den Referenzsimulationen mit Anfangskonzentrationen von 10 g/kg Trockensubstanz und 4 g/kg Trockensubstanz.

Es wird deutlich, dass bei einer Kontamination mit 10 g Dieselöl pro kg Trockensubstanz im inneren Drittel über weite Strecken der Sanierung (ca. 200 Tage) kein Abbau stattfindet, weil nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist. Erst bei niedrigen MKW-Gehalten kann O$_2$ in die inneren Bereiche vordringen, um einen aeroben Abbau zu ermöglichen. Bei einer Anfangskonzentration von 4 g/kg Trockensubstanz ist die Limitierung in der Mietenmitte schon nach nahezu 60 Tagen aufgehoben, weil in den oberen Bereichen weniger Sauerstoff verbraucht wird. Der Verbrauch von O$_2$ pro Zeiteinheit nimmt mit zunehmender Sanierungsdauer ab. Dies zeigt Abb.6.4, in welcher der kumulative Sauerstoffverbrauch der Dieselöl-Mineralisierung dargestellt ist.

Die Halbwertzeit für die Biodegradation des Dieselöls wird bei einer Anfangskonzentration von 4 g/kg Trockensubstanz nach 84 Tagen, bei 10 g/kg Trockensubstanz nach 110 Tagen erreicht. Die Abbaurate der niedrigeren Kontamination wird vor allem durch den $K_c$-Wert in der modifizierten Michaelis-Menten-Kinetik kontrolliert, während bei der höheren Startkonzentration die Hill-Kinetik der Sauerstofflimitierung die entscheidende Rolle spielt.

Abbildung: Dieselölgehalt in unterschiedlichen Mietenbereichen bei einer Anfangskonzentration von 10 g/kg Trockensubstanz (Referenzsimulation).

Abbildung: Dieselölgehalt in unterschiedlichen Mietenbereichen bei einer Anfangskonzentration von 4 g/kg Trockensubstanz (Referenzsimulation).

Abbildung: Kumulativer Sauerstoffverbrauch für die Dieselöl-Mineralisierung in den Referenzsimulationen mit Anfangskonzentrationen von 10 g/kg Trockensubstanz und 4 g/kg Trockensubstanz.

In Tabelle 6.2 sind die die durchschnittlichen Abbauraten bis zum 50. Tag und für die ganze Sanierungszeit in der Gesamtmiete und im oberen Bereich dargestellt. Bei einer Anfangskonzentration von 10 g Dieselöl pro kg Trockensubstanz ist in den ersten 50 Tagen im oberen Drittel der Miete ein deutlich schnellerer Abbau zu verzeichnen als in der Gesamtmiete. Auch über die ganze Sanierungsphase ist die durchschnittliche Abbaurate im äußeren Bereich noch um ca. 1/3 höher. Bei einer Kontamination mit nur 4 g Dieselöl pro kg Trockensubstanz sind die Unterschiede zwischen den Mietenbereichen deutlich geringer. Wie oben schon angedeutet, spielt die Sauerstofflimitierung hier eine wesentlich geringere Rolle.

Tabelle: Durchschnittliche MKW-Abbauraten im äußeren Mietendrittel und in der Gesamtmiete bei Dieselöl-Anfangskonzentrationen von 10 g/kg Trockensubstanz und 4 g/kg Trockensubstanz. Dargestellt sind die Werte bis zum 50. Tag und bis zum Sanierungsende.

MKW(0)	Mietenbereich	Netto-Abbaurate [g/kg Trockensubstanz pro Tag]
$[$g/kg TS]		1 - 50. Tag	1 Jahr
10	oben	0.087	0.036
	gesamt	0.050	0.025
4	oben	0.032	0.010
	gesamt	0.025	0.009