Mass Transfer of Oxygen across the Capillary Fringe

Abstract

Mass transfer of oxygen from soil air across the capillary fringe affects the fates of many contaminants in groundwater. The processes involved in mass transfer include aqueous and gas phase molecular diffusion, mechanical dispersion, reaction and partitioning between the aqueous and gas phases. The extent to which each of these processes contributes to mass transfer between the saturated and unsaturated zone depends on both the properties of the solute and the conditions within the subsurface. It is generally believed that transversal mixing controls the flux of electron acceptors such as oxygen across the capillary fringe into groundwater.

The objective of this work is to investigate the transfer of oxygen between soil gas and groundwater. The thesis consists of three parts: the numerical simulations, derivation of analytical solutions, and high resolution data bench scale tank experiments for the validation of the models.

Numerical simulation results show that in both reactive and non-reactive cases the oxygen gradient increases rapidly when the water saturation reaches about 85%. The maximum product concentration does not depend on the concentration of oxygen. Instead, it increases proportionally to the concentration of electron donor. Results from the numerical simulation also show that due to a lower horizontal flow velocity in the not fully saturated capillary fringe, the reaction product accumulates there. New analytical solutions were derived in order to predict the spatial distribution of the reactants and the reaction product as well as the length of electron donor plumes.

The tank experiments show that only a minor oxygen gradient develops in the unsaturated zone. Steep concentration gradients develop in the saturated capillary fringe, which indicates that mass transfer becomes dispersion dominated. For a flow velocity of 7.33 m/day, the contribution of diffusion to the overall mass transfer coefficient is only 10%. The dispersion coefficients obtained for the reactive and non-reactive cases are the same.

Der Transport von Sauerstoff aus der Bodenluft über den Kapillarsaum beeinflusst den Abbau vieler Schadstoffe und sonstiger Stoffumsätze im Grundwasser. Dabei schließen die am Stofftransport beteiligten Prozesse die molekulare Diffusion in der wässrigen sowie der gasförmigen Phase, die mechanische Dispersion sowie die Reaktion und Verteilung zwischen wässriger und gasförmiger Phase mit ein. Das Ausmaß, mit welchem jeder dieser Prozesse zum Stofftransport zwischen gesättigter und ungesättigter Zone beiträgt, hängt sowohl von den Eigenschaften der gelösten Stoffe wie auch von den Bedingungen im Untergrund ab. Es wird allgemein angenommen, dass die transversale Dispersion den Fluss von Elektronenakzeptoren, wie beispielsweise Sauerstoff, über den Kapillarsaum ins Grundwasser kontrolliert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die detaillierte Untersuchung des Übergangs von Sauerstoff aus der Bodenluft ins Grundwasser und die Quantifizierung der limitierenden Parameter. Die Doktorarbeit setzt sich aus drei Teilen zusammen, wobei der erste Teil die numerischen Simulationen umfasst; der zweite Teil beschäftigt sich mit der Ableitung analytischer Lösungen, um abschließend auf die im Labormaßstab durchgeführten Tankexperimente einzugehen, mit denen hoch aufgelöste Datenreihen für die Validierung der numerischen Modelle gewonnen werden konnten.

Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen, dass der Sauerstoffgradient sowohl im reaktiven wie im nicht-reaktiven Fall schnell größer wird, sobald die Wassersättigung einen Wert von etwa 85 % erreicht. Die maximale Konzentration des Reaktionsprodukts ist nicht von der Sauerstoffkonzentration abhängig, sondern nimmt stattdessen proportional zur Konzentration des Elektronendonators zu. Ebenso zeigen die Ergebnisse der numerischen Simulation, dass es aufgrund der kleineren horizontalen Fließgeschwindigkeiten im nicht voll gesättigten Bereich des Kapillarsaums zur Akkumulation des Reaktionsprodukts in dieser Zone kommt. Zusätzlich wurden neue, vereinfachte analytische Lösungen hergeleitet, um die räumliche Verteilung der Edukte und des Produkts sowie die Länge der Elektronendonator-Fahnen vorherzusagen.

Die Tankexperimente zeigen, dass sich in der ungesättigten Zone nur ein flacher O2-Konzentrationsgradient einstellt. Im gesättigten Kapillarsaum kommt es dagegen zu steilen Konzentrationsgradienten, was belegt, dass der Stofftransport durch Dispersion im Wasser dominiert wird. Für eine Fließgeschwindigkeit von 7,33 m/d beträgt der Anteil der Diffusion am Stoffübergangskoeffizienten nur 10 %. Die Dispersionskoeffizienten, welche für den reaktiven und nicht-reaktiven Fall mit hoher Genauigkeit experimentell ermittelt wurden, sind nicht signifikant verschieden, wie durch die Theorie vorhergesagt.