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1
1 Technische Universität BraunschweigInstitut für GeoökologieAbteilung Bodenkunde und Bodenphysik
2 Universität Karlsruhe (TH)Engler-Bunte-InstitutLehrstuhl für Wasserchemie
Multiple Schüttelversuche bei variierendem Wasser-Feststoff-Verhältnis zur Abschätzung des Freisetzungsverhaltens von Schadstoffen aus
kontaminierten Böden
Sascha Iden1, Markus Delay2, Fritz H. Frimmel2 und Wolfgang Durner1
Intro
Sickerwasserprognose nach BBodSchV, nach Eberle & Oberacker (2003)
1
Ermittlung wichtiger Kenngrößen
�Konzentration unter der
Schüttung als Funktion der
Zeit c(t)
�Initiale in-situ Konzen-
tration c0�Mobilisierbarer Vorrat s0
Problemstellung
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IntroProblemstellung
Sickerwasserprognose nach BBodSchV, nach Eberle & Oberacker (2003)
1
Wasser-Feststoff-Verhältnisse
unterschiedlich und nicht
unbedingt repräsentativ !
Wichtige Laborverfahren
� Elutionstest nach DIN 38414
(S4-Eluat)
� Bodensättigungsextrakt
(BoSE)
� pH-STAT-Test
� Säulenversuche
� Extraktionsverfahren mit
versch. Elutionsmitteln
(NH4NO3, CaCl2, EDTA, ...)
IntroProblemstellung
Sickerwasserprognose nach BBodSchV, nach Eberle & Oberacker (2003)
1Bestimmung der in-situKonzentration durch den Bodensättigungsextrakt
� Für anorganische Schadstoffe
� Wasser-Feststoff-Verhältnis
(L/S)nahezu repräsentativ
� Nur relativ geringe
Eluatausbeute
� Schwierigkeiten mit der
Separation Fest-Flüssig
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Methoden2Labormethoden (1)
� Multipler Schüttelversuch mit variierendem L/S
� Dest. Wasser als Extraktionsmittel
� Schüttelzeit 24 h
� Phasenseparation durch Sedimentation, Dekantieren und
Filtration (0.45 µm Cellulose Acetat)
� 2 Wiederholungen
1:1
50:1
5:12:110:1
Methoden2Labormethoden (2)
� 2 Testmaterialien: Bauschutt und HMVA (Quelle: BAM)
� Analytische Bestimmung von Sulfat und Chlorid durch IC
� Analytische Bestimmung von Kupfer, Chrom, Natrium durch ICP
� DOC durch TOC-Analyzer
� Messung von pH und elektrischer LF
1:1
50:1
5:12:110:1
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Methoden2Modell
� Verteilungsmodell mit Gleichgewichtssorption
� Freundlich-Isotherme
� Sorbierte Konzentration als Funktion der Aktivität der betrachteten Spezies
� Aktivitätskoeffizienten nach Davis, Ionenstärke aus der elektrischen LF berechnet
� Isotherme wird als invariant gegenüber dem L/Sangenommen
� keine weiteren Prozesse berücksichtigt
Methoden2
1:1
50:1
5:12:110:1
� Schätzung von drei Modellparametern aus Eluatkonzentrationen bei 5 verschiedenen L/S
� Modellparameter: Extrahierbarer Vorrat pro Trockenmasseund 2 Freundlich-Parameter
� Bayessche Parameterschätzung
� Markov-Chain-Monte-Carlo Verfahren (SCEM-UA Algorithmus)
� Vorhersage der Konzentration bei den L/S 0.25 und 0.5 L kg-1
� Vergleich mit Messungen (Validierung)
Parameterbestimmung
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ErgebnisseSynthetische Daten 3
Der Schüttelversuch bei variierendem L/S ermöglicht prinzipiell die beiden Größen
� in-situ Konzentration
� extrahierbarer Vorrat
mit vertretbaren Unsicherheiten aus lediglich den Eluatkonzen-trationen statistisch zu schätzen.
Iden und Durner (2007). Multiple Batch Extraktion Test toEstimate Contaminant Release Parameters using a BayesianApproach. Journal of Contaminant Hydrology. To be published.
ErgebnisseBauschutt 3
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ErgebnisseBauschutt - Chrom 3
Ergebnisse3Bauschutt - Chrom
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Ergebnisse3Bauschutt - Chrom
Starke Korrelation der beiden Freundlich-Parameter führt
... zur Nichtidentifizierbarkeit der Einzelparameter
... zu einer relativen geringen Unsicherheit der Isotherme
Ergebnisse3
Bauschutt - Chrom
Bauschutt - Chrom
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Ergebnisse3
Bauschutt
Bauschutt
Ergebnisse3Bauschutt
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ErgebnisseHMVA 3
ErgebnisseHMVA 3
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ErgebnisseHMVA 3
Fazit4
� Multiple Schüttelversuche mit variierendem L/S sind ein praxis-taugliches Werkzeug zur Vorhersage von in-situ Konzentrationen
� Vorhersage basiert auf einem physiko-chemischen Ansatz
� Bestimmung extrahierbarer Vorräte für schwach sorbierende Stoffe ebenfalls möglich
� Aufwand liegt zwischen dem einer Einzelextraktion und einemSäulenversuch
� Verwendetes Modell ist eine starke Vereinfachung, d.h. eine effektive Beschreibung
� Verwendetes Modell könnte erweitert werden auf geochemisches Modell → erhöhter Datenbedarf
� Methoden der Bayesschen Parameterschätzung sehr robust (Nichtlinearität, Identifizierbarkeit)
Multipler Schüttelversuch
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Unser Dank gilt:
� BMBF (SiWaP 02WP0299 & 02WP0516)
� Angela Klüpfel, Sabrina Bahnmüller, Reinhard Sembritzki, Matthias Weber, Ulrich Reichert, Ulrike Jansen
Multiple Schüttelversuche bei variierendem Wasser-Feststoff-Verhältnis zur Abschätzung des Freisetzungsverhaltens von
Schadstoffen aus kontaminierten Böden
Sascha Iden1, Markus Delay2, Fritz H. Frimmel2 und Wolfgang Durner1
� Relativ simples Verteilungsmodell
� Gleichgewichtssorption
� Freundlich-Isotherme
� Sorbierte Konzentration als Funktion der Aktivität der betrachteten Spezies
s0 Extrahierbarer Vorrat [M M-1]
c Konzentration in der flüssigen Phase [M L-3]
f Wasser/Feststoff-Verhältnis (L/S) [M L-3]
KF n Freundlich-Parameter
Der BegriffMethoden
2Modell
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Der BegriffMethoden
2Parameterbestimmung
� Bayessche Parameterschätzung
� Markov-Chain-Monte-Carlo Verfahren (SCEM-UA Algorithmus)
� Generierung von Stichproben aus der a-posteriori Verteilung derModellparameter
� Modellparameter werden aus den gemessenen Eluat-konzentrationen bestimmt, keine weiteren Informationsquellen
Der BegriffMethoden
2Unsicherheitsanalyse
� Unsicherheit der Modellparameter durch statistische Auswertung der generierten Parametersätze aus der a-posteriori-Verteilung
� Unsicherheit der Freundlich-Isotherme durch Propagation der Parametersätze durch die Freundlich-Gleichung
� Vorhersageunsicherheit der Konzentrationen in der Flüssigphase durch statistische Auswertung der sog. posterior predictive distribution (PPD):
Ansatz: Ziehen einer Stichprobe aus der PPD
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Der BegriffInverse Modellierung
Der BegriffErgebnisse
Sensitivitätsanalyse 3
Der BegriffInverse Modellierung
Der BegriffErgebnisse
Sensitivitätsanalyse 3
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Der BegriffInverse Modellierung
Der BegriffErgebnisse
Bauschutt – Isothermen 3
Der BegriffInverse Modellierung
Der BegriffErgebnisse
HMVA – Isothermen 3