Pump and Treat (2)

Pump and Treat (2)

AGU – fall meeting: about 15000 participants American Geophysical Union

 Smart, innovative P&T applications

Chaotic Advection, Fluid Spreading,

and Groundwater Contaminant Plumes

Roseanna M. Neupauer

Dept. of Civil, Environmental, and Architectural Engineering University of Colorado Boulder

David C. Mays

Dept. of Civil Engineering University of Colorado Denver

December 6, 2011

Funded by National Science Foundation

Treatment Solution

Motivation - In situ remediation

How can the treatment solution be spread throughout the

contaminated area?

image downloaded 5/15/2010

http://www.atsdr.cdc.gov/HAC/pha/reports/ctsprintex_05061992ca/images/cts_f1.gif

Plume

Interface

Engineered Injection and Extraction: Pump and Treat

Treatment Solution

Contaminated Groundwater

Assumptions:

•Two-dimensional

•Homogeneous

•Confined

•Isotropic

•No storage

Step 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Well ^{W E W E W E S N S N S N} L ^{3.5 3.5 -1.0 -3.0 -1.6 -1.4 3.5 3.5 -1.0 -3.0 -1.6 -1.4}

L

b n QT

  L

Wells

Q = injection rate T = time step n = porosity b = thickness L = length scale

Spreading of Treatment Solution – One Cycle

Original interface

Treatment solution

Active well

Out = extraction In = injection

Length = relative magnitude

Spreading after Multiple Cycles

1 Cycle 2 Cycles

3 Cycles 4 Cycles

Spreading after Multiple Cycles

1 Cycle 2 Cycles

3 Cycles 4 Cycles

P&T: Zentrale Fragen

P&T-Protokoll

Zentrale Frage 1: Wie plane und organisiere ich eine P&T-Massnahme ?

Clean-Up-Zeit

Zentrale Frage 2: Wie lange muss ich pumpen? Wann Kontroll-Monitoring?

Best-case-Szenario

Menge des kontaminierten Grundwassers bzw. Volumen der Schadstofffahne (Plume) kann abgschätzt werden und ist konstant !

 Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben:

 

i Plume

c

Q

t V

ÜA 21: siehe Domenico & Schwarz D 20.1 und D20.2

ÜA 21 A): Ein Grundwasserleiter (Aquifer) mit einer

Mächtigkeit von 16.7 m ist über einer Fläche von 41490 m² kontaminiert. Es handelt sich um ein mittelsandigen bis

kiesiges Lockergesteinssediment, dessen Porosität zu 0.3 abgeschätzt wird.

Als Sanierungsmaßnahme wird P&T mit 3 Pumpbrunnen mit je einer Pumprate von 0.13 m³/min durchgeführt.

Mit welcher Sanierungszeit muß man rechnen?

ÜA 21 B): Erschwerend kommt hinzu, dass der Schadstoff an der Feststoffmatrix adsorbiert ist (_s=2.65 kg/l, K_d = 0.2 l/kg). Um welchen Faktor verändert sich die Sanierungszeit?

Worst-case-Szenario

Masse der DNAPL kann abgeschätzt Werden, Schadstofffahne wird ständig erneuert

Zeit, die notwendig ist, um kontaminiertes GW zu heben,

ist durch Zahl der notwendigen Porenvolumina (= N_p) bestimmt, die zur vollständigen Auflösung notwendig sind:

Zeitskala: 100 bis 1000 Jahre



 

i p P

c

Q

V t N

DNAPL-Pool

N_p = Summe aller Porenvolumina!

Quellenidentifikation

über Konzentrationsverläufe in den Beobachtungsbrunnen

 AGU 2011: Smart, innovative P&T

Auflösung einer DNAPL-Phase im Grundwasser

Localisation of the DNAPL-source is rather difficult!  Why?

Source construction through concentration profiles for typical contaminat sources (AGU 2011)

Wo ist P&T anwendbar?

Was ist „Tailing“ und

„Rebound“ und wie

kann man diese Effekte abschätzen?

Diskussion: P&T ÜA 6 -11 Zeitskalen - Rebound-Effekt

Nächste Frage:

Wenn ich Quelle kenne,

wie lange muß ich „pumpen“ ?

 Dies bestimmt Betriebskosten !

(Operation costs)

Konzentrationsverlauf: ÜA 6 - 11

Lösungsprozesse, die „Tailing“ und

„Rebound“ bewirken

Ton-Linsen mit residualen

NAPL-Phasen

ÜAufgaben 6 - 11

 Abschätzung von

unterschiedlichen Prozess-Zeitskalen ÜA6: Anzahl der Porenvolumina (= N

) ÜA7: konvektive Zeitskala = 

ÜA8: Pump&Treat – Zeitskala = 

ÜA9: diffusive Zeitskala = 

ÜA10: Vergleich von 

und 

ÜA11: zeitlicher Konzentrationsverlauf

N_P

Multi-well-P&T

Zentrale Frage 3: ausgedehnte Schadstoffquelle, heterogener Aqifer  Dimensionierung einer Brunnengallerie

Diagramme für Multi-Brunnen-P&T

 Wähle Breite P  Bestimme Pumprate Q_B der einzelnen Brunnen

 für Aquiferparameter Bu (Beachte u = q!) ÜA 29!

P = 300 m X_s= 300 m

29

Dimensionierung einer Multi-well P&T:

 A) optimale Lage der Pumpbrunnen (X,Y) B) Pumpleistung Q

In Abhängigkeit der hydraulischen Eigenschaften des Aquifers, der Geometrie der Schadstofffahne und Testfeldes bestimmen!

ÜA 29: Dimensionierung 4-Brunnen-Gallerie !

Hinweis:

Scheitelpunkte bzw. Scheitellinie aus Single-Well-Dimensionierung!

Dimensionierung einer Multi-well P&T:

Optimal distance between 2 wells:

Neutral Curve:

Scheitelpunkt Xs: dy/dx = 0

Dimensionierung einer Multi-well P&T:

ÜA 29  an Tafel vorrechnen!

 Hydraulische

Sicherung/Abgrenzung

 Grundwasser-Hebung mit

anschliessender Behandlung

Zentrale Frage 4: Wann ist P&T eine geeignete Sanierungsmethode?

(1) Pumping wells

Technische P&T-Realisierungen

(2) Pumping wells with drainage

(3) Pumping wells with hydraulic- impermeable wall

Höher Installationskosten, aber geringere Betriebskosten

Warum ?

Was ist eine intelligente

P&T-Anwendung

(“smart” application) ?

1. wichtige Komponente bei jeder GW-Sanierung, die die P&T-Methode anwendet ist die

Schadstoffbeseitigung und dessen Kontrolle

2. effektive „smarte“ GW-Sanierung erfordert

ein fundiertes Wissen über die physiko-chemischen Eigenschaften der Schadstoffe und eine sorgfältige Charakterisierung des Sanierungsstandortes

3. der Sanierungsplan sollte von realistischen

Sanierungszielen ausgehen und flexibel den fort-

laufenden Untersuchungen angepasst werden können

dynamisches, prozess-basiertes Standort-Mangagment

Smart P&T (1)

Smart P&T (2)

4. Bevor P&T:

Nachdenken, ob Quellensanierung/beseitigung möglich ist

5. Bei lokalen und bekannten Schadstoffquellen in der Bodenzone (residuale LNAPL-Phasen)

 Quellenbeseitigung die effektivste Methode.

6. Abdeckung, um Infiltration zu verhindern

7. Bei allen DNAPL-Fahnentypen ist die genaue

Lokalisierung der Quelle eher schwierig