7.6 Sauerstofflimitierung

Die Sauerstofflimitierung bei der Biodegradation von Mineralölkohlenwasserstoffen tritt relativ abrupt ein. Hupe (1998) konnte nachweisen, dass der Abbau bei einer Sauerstoffsättigung $<$ 1 Vol% nahezu zum Erliegen kommt. Bei höheren Werten steigt die Abbauaktivität kaum mehr an. Die Deoxygenasen, die den Abbau von Ölkomponenten katalysieren, sind schnell gesättigt. Der Algorithmus, der die Limitierung der Biodegradation durch die Sauerstoffkonzentration im Modell berechnet, ist an diese Erkenntnisse angepasst. Um einer mechanistischen Modellierung näher zu kommen wurde die Hill-Funktion gewählt. Sie ist eine modifizierte Sättigungskinetik, bei der sich die Ergebnisse nahe der Halbsättigungskonstante schneller dem maximalen oder minimalen Wert anpassen als in einer Michaelis-Menten Kinetik, die ein Sonderfall der Hill-Kinetik mit einem Exponenten = 1 ist. Allerdings ist der Einfluss auf den Verlauf des Abbaus bei unterschiedlichen Exponenten doch eher gering. Dennoch sollte die Variante mit abrupterem Eintreten der Limitierung gewählt werden, da sie zum Einen näher an der Empirie ist und zum anderen Bereiche mit O$_2$-Limitierung schärfer von solchen abgrenzen kann, die keinen Abbau aufweisen. Der $K_{DO}$-Wert gibt die gelöste Sauerstoffkonzentration an, bei der die Hälfte der maximalen Abbaurate erreicht wird. In der Hill-Funktion entspricht dieser Wert der Konzentration, ab welcher eine O$_2$-Limitierung eintritt. Unter der Annahme, dass der gelöste und gasförmige Sauestoff in der Pore ständig im Gleichgewicht stehen, können beide über das Henry'sche Gesetz in Beziehung gebracht werden. Im Referenzlauf wurde $K_{DO}$ auf 0.5 mg/l festgelegt. Das entspricht einer Konzentration von 1 Vol.% in der Porenluft. Sims et al. (1990) konnten in ihren Versuchsreihen feststellen, dass der gelöste Sauerstoff ab einer Konzentration von 0.2 mg/l limitiert. Kleine Unterschiede in den $K_{DO}$-Werten wirken sich kaum auf das Ergebnis der Simulationen aus. Erst wenn die Limitierung eine Größenordnung höher gesetzt wird, verläuft der Abbau deutlich langsamer. Da die Werte in der Literatur recht gut übereinstimmen und die Abbaugeschwindigkeiten gegenüber kleinen Variationen in den $K_{DO}$-Werten unempfindlich ist, scheint die Sauerstofflimitierung mit der Hill-Kinetik angemessen modelliert werden zu können.