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Untersuchungen zum reaktiven Transport von Arsen im Grundwasserleiter - Prozessstudie und Entwicklung einer neuartigen Sanierungsmethode an einem Altstandort in Hessen, Deutschland

Maier, Martin

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Abstract

Die Arbeitsgruppe Hydrogeochemie und Hydrogeologie der Universität Heidelberg beschäftigt sich seit vielen Jahren mit Arsen im Grundwasser. Hierbei wurden durch Labor und Geländeuntersuchungen die geochemischen Faktoren ermittelt, die zur Sorption bzw. Desorption von Arsen führen und damit die Transporteigenschaften beeinflussen. An einem Altstandort in Hessen, an dem seit fast 10 Jahren ein Arsengrundwasserschaden durch eine hydraulische Maßnahme saniert wird, ohne dass erkennbare Erfolge zu verzeichnen sind, bestand aktuell die Möglichkeit die bisher gewonnen Erkenntnisse anzuwenden und auf diese aufzubauen. Im wissenschaftlichen Fokus standen hierbei die Interaktionen von Feststoff und Grundwasser, die Speziesverteilung des Arsens und die geochemischen Bedingungen im Aquifer und deren Einfluss auf die Sorption und Desorption von Arsen. Weiterhin wurde zur Prognose der Prozesse die zeitliche Komponente durch Wechsel der Milieubedingungen im Laborversuch nachgestellt. Für ein Prozessverständnis im komplexen geochemischen System wurde eine Vielzahl von Untersuchungen am Feststoff und im Grundwasser durchgeführt. Die Ergebnisse der Grundwasseruntersuchungen zeigen eine vertikale Zonierung der geochemischen Verhältnisse von suboxisch bis anoxisch an. Diese geschichtete Ausbildung ist auch von anderen Standorten im Oberrheingraben bekannt und resultiert aus der Pyritverwitterung. Entsprechend dieser Zonierung, aber auch in longitudinaler Richtung, ist eine Dominanz der reduzierten As(III)-Spezies festzustellen. Durch rasterförmige Untersuchungen des Feststoffs und des Grundwassers kann beobachtet werden, dass in den tieferen Aquiferbereichen im Schadenszentrum keine nennenswerten Interaktionen mit der Festphase stattfinden und die dort gelösten Arsenspezies über eine vergleichsweise hohe Mobilität verfügen. Auch die Feststoffuntersuchungen mit verschiedenen Extraktions- und Elutionsverfahren deuten darauf hin, dass die desorbierbaren Anteile des Arsens vom Schadenszentrum zum Abstrom prozentual ansteigen. Unter künstlich hergestellten Milieubedingungen durchgeführte Säulenversuche mit Standortproben zeigen deutliche Abhängigkeiten zwischen der Arsenmobilität und den geochemischen Bedingungen. Dabei besteht auch eine Reversibilität der Prozesse, d.h. im oxischen Milieu sorbiertes Arsen lässt sich im Wechsel zum anoxischen wieder mobilisieren und umgekehrt. Die modellgestützte hydraulische Bewertung des Standortes weist auf eine mögliche längerfristige Gefährdung der Trinkwassergewinnung im abstromigen Wasserwerk hin. Bei der Gefährdungsabschätzung müssen jedoch Lösungs- und Transportkinetik abhängig von Raum und Zeit gleichermaßen betrachtet und bewertet werden. In einem zweiten Forschungsschwerpunkt dieses Projektes wurde die künstliche Mobilisierung des Schadstoffes durch Zugabe von Phosphat als mögliche für den Standort geeignete Maßnahme untersucht. Eine beschleunigte Freisetzung findet unter oxischen und anoxischen Bedingungen statt, die zu einer vollständigen Entfernung der desorbierbaren Anteile des Arsens führt. Verschiedene Prozesse wurden hierbei identifiziert. Während geringe Substratgaben vermutlich die mikrobiellen Prozesse unterstützen, bewirken hohe Dosierungen eine Freisetzung über geochemische Prozesse. Die dahinter stehenden Prozesse konnten durch umfangreiche Prozessstudien und Literaturrecherchen hinreichend beschrieben werden. Eine mögliche technische Limitierung für den hydrogenkarbonatdominierten Standort könnte in der Ausfällung von Apatit bestehen. Im Gegensatz zur Immobilisierung findet die Mobilisierung von Arsen in der Wissenschaft bisher kaum Berücksichtigung. Die vielversprechenden Ergebnisse werden zeitnah in einem weiteren Projektschritt auf Eignung am Standort überprüft. Hierzu ist vorgesehen, zunächst in weiteren Säulenversuchen die stattfindenden Prozesse separat zu studieren und zu bilanzieren. Anschließende Versuche im Lysimeter sowie auf einem Pilotfeld sollen technische Informationen für einen kosteneffizienten Einsatz als Sanierungsmethode liefern und technische Limitierungen beseitigen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Isenbeck-Schröter, Prof. Dr. Margot
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 11 April 2014
Date Deposited: 29 Jul 2014 07:44
Date: 2014
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Dekanat der Fakultät für Chemie und Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
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