Preferential flow and aging of NAPL in the unsaturated soil zone of a hazardous waste site: implications for contaminant transport

Autor: Ingrid Kögel-Knabner, Rainer Scheibke, Kai Uwe Totsche, Bettina Haas, Stefan Geisen
Rok vydání: 2003
Předmět:
Zdroj: Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 166:102-110
ISSN: 1522-2624
1436-8730
DOI: 10.1002/jpln.200390000
Popis: Flow of non-aqueous phase liquids (NAPL) in the unsaturated zone is thought to be driven by gravity with a dominant vertical flow direction, and lateral spreading to be limited to the gradient of the relative permeabilities. The effect of soil profile build-up, preferential flow, aging, and groundwater level fluctuations is mostly neglected. The objective of our study was to check the effects of such processes on the fate of NAPL in the unsaturated soil zone. At a hazardous waste site, we conducted a field survey of the unsaturated soil zone and monitored the groundwater for a two year period. We conducted spatially resolved and depth dependent soil sampling and analysis and the evaluation of former ram and core drilling protocols. The samples were analyzed for the 16 EPA PAH and alkanes with GC-MS and GC-FID. 13C-NMR spectroscopy was used to assess structural changes of the NAPL phase. Flow of bulk NAPL along macropores and along preferential permeability structures, like sedimentation discontinuities, are the dominant transport pathways which cause large lateral spreading beyond those expected by the relative permeability gradient. Accumulation of NAPL was found at locations with abrupt textural changes and within the zone of capillary rise. Aging of NAPL results in the depletion in soluble and volatile compounds but also in oxidation and polymerization. It increases the chemical diversity and decreases the mobility of the NAPL. Thus, NAPL flow ceases much earlier than expected from the capillary forces. As chemical transformation is restricted to the NAPL water/air interface, a skin-like thin film is formed which encapsulates and preserves the bulk NAPL from further hardening, limiting contaminant mass transfer from the NAPL to the aqueous phase. Praferenzieller Fluss und Alterung nichtwassriger flussiger Phasen (NAPL) in der ungesattigten Bodenzone eines Altlastenstandortes: Bedeutung fur den Stofftransport Bei der Abschatzung der Tiefenverlagerung von nichtwassrigen Phasen (NAPL) in der ungesattigten Bodenzone ging man bisher davon aus, dass der Fluss im Boden eine dominante vertikale Flieskomponente besitzt. Die Bedeutung bevorzugter Flieswege, des Bodenprofils und der Alterung fur die Ausbreitung der NAPL wurde bisher nicht untersucht. Ziel unserer Arbeiten war es daher, die Gultigkeit der Vorstellungen zum Transport von NAPL in der ungesattigten Bodenzone zu uberprufen. Hierzu wurde die ungesattigte Bodenzone an einem ehemaligen Teerwerkstandort untersucht und ein zweijahriges Grundwassermonitoring durchgefuhrt. Es wurde eine tiefendifferenzierte und raumlich aufgeloste Probenahme mit Rammkernsondierungen und Linern durchgefuhrt, sowie Bohrprotokolle vorhandener Gutachten ausgewertet. In den Proben wurden Alkane mittels GC-FID und PAK mittels GC-MS bestimmt. NAPL wurden 13C-NMR-spektroskopisch untersucht. Der Fluss von NAPL entlang praferenzieller Fliespfade ist der dominante Prozess der Tiefenverlagerung. Dabei kommt es zu einer starken lateralen Ausbreitung von NAPL weit uber den Bereich hinaus, der aufgrund der heterogenen Verteilung der relativen Permeabilitaten erwartet werden wurde. Innerhalb des Bodenprofils reichern sich NAPL oberhalb der Grenzflachen mit abruptem Texturwechsel und innerhalb der kapillaren Aufstiegszone an. Alterung der NAPL fuhrt zu einer Zunahme der chemischen Diversitat und zu einer Abnahme der Mobilitat. Die Tiefenverlagerung von NAPL kommt viel fruher zum Erliegen als durch Viskositat und Kapillarkrafte zu erwarten ware. Die strukturchemischen Veranderungen beschranken sich jedoch auf die Grenzflache NAPL/Wasser bzw. NAPL/Bodenluft: Es bildet sich eine dunne, verhartete Grenzschicht aus, die die NAPL umhullt, die weitere Alterung verlangsamt und den Stoffaustausch zwischen NAPL und Bodenwasser bzw. der Bodenluft verringert.
Databáze: OpenAIRE
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