Untersuchungs- und Überwachungsmethoden für die Beurteilung natürlicher Selbstreinigungsprozesse im Grundwasser

Abstract

An einem kontaminierten Standort wirken der Schadstoffausbreitung im Aquifer natürliche Rückhalte- und Abbauprozesse entgegen, die unter günstigen Randbedingungen zu einem Stagnieren oder Schrumpfen der Schadstofffahne im Abstrom des Schadensherdes führen. Sollen derartige Prozesse bei der Altlastenbearbeitung berücksichtigt werden, setzt dies nach gegenwärtigem Kenntnisstand detaillierte Untersuchungen zu standortspezifischen Gegebenheiten voraus. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit Untersuchungs- und Überwachungsmethoden zu verschiedenen Parametern ausgearbeitet, die für eine ganzheitliche Beurteilung des Selbstreinigungspotentials am Beispiel eines gaswerkstypischen Schadenfalls genutzt werden können. Im ersten Schritt der Arbeit wurde für die Bestimmung der hydrogeologischen Situation (longitudinale Dispersivität, Abstandsgeschwindigkeit und vertikale Dispersionseffekte) an einem Modellstandort ein Multilevelmultitracerversuch mit drei Tracerfarbstoffen (Uranin, Sulforhodamin B und Natriumnaphthionat) durchgeführt. Um den finanziellen und personellen Aufwand eines solchen Versuches zu verringern, wurde eine Fluorometermesszelle gebaut, mit der sich die drei fluoreszierenden Tracerfarbstoffe selektiv nebeneinander im Grundwasser vor Ort erfassen lassen. Neben der automatischen Bestimmung der Tracerfarbstoffe am Modellstandort erfolgte zusätzlich die Ermittlung der Fluoreszenzintensitäten an ausgewählten Proben konventionell mit einem Filterfluorometer im Labor. Im zweiten Schritt der Arbeit wurde eine neue Untersuchungsmethode konzipiert, mit der sich die unterschiedlich gut verfügbaren, sedimentgebundenen PAK-Anteile des Feldstandortes charakterisieren lassen. Aufbauend auf einer Extraktionssequenz wurden die zunehmend schwerer verfügbaren PAK von den leichter verfügbaren PAK getrennt und die dabei eluierten PAK-Anteile unterschiedlichen Verfügbarkeitsklassen zugeteilt. Die durchgeführten Extraktionen am kiesig-sandigen Material vom Modellstandort zeigten eindeutig, dass trotz des gealterten, real kontaminierten Materials, die Sorption der einzelnen PAK schwächer ausfiel als erwartet und der wesentliche PAK-Massenanteil gut verfügbar war. Der Befund einer guten Verfügbarkeit konnte durch Langzeitdesorptionsversuche mit Hilfe einer neu konzipierten Infinite-Sink-Extraktionstechnik untermauert werden. Um die Übertragbarkeit sowohl der Extraktionssequenz als auch die der Infinite-Sink-Extraktion auf andere Böden zu prüfen, wurden beide Verfahren auf einen mit PAK kontaminierten Boden mit einem hohen organischen Kohlenstoffanteil angewendet. Die Gültigkeit der aus der sequentiellen Extraktion abgeleiteten PAK-Verfügbarkeit für den Modellstandort konnte durch die Boden- und Grundwasseruntersuchungen bestätigt werden. Im Gegensatz zu der ausgedehnten PAK-Schadstofffahne des Grundwassers konnten im Sediment nur im direkten Randbereich des Phasenkörpers nennenswerte PAK-Gehalte nachgewiesen werden. In Bereichen, in denen PAK-Schadstoffkonzentrationen von einigen hundert µg/l im Grundwasser bestimmt wurden, lagen die PAK-Gehalte im Sediment im Bereich der analytischen Nachweisgrenze. Ein relevanter Beitrag der hohen PAK-Gehalte im Grundwasser durch Kolloide konnte anhand der Ergebnisse aus den LIBD- und ESEM-Messungen ausgeschlossen werden. Somit stand die am Modellstandort analytisch bestimmte PAK-Schadstoffverteilung zwischen Feststoff und Grundwasser deutlich im Widerspruch zu einem theoretischen Ansatz, nach dem – auf Basis einer empirischen Korrelation zwischen Kow und Koc – der überwiegende Anteil der PAK auf dem Sediment sorbiert hätte vorliegen müssen. Auffällig war die im Grundwasserleiter auftretende starke örtliche Konzentrationsabnahme der untersuchten Schadstoffe (PAK, BTXE und CKW), die auf mikrobiologische Abbauprozesse hindeutete. Im Fall der ebenfalls am Standort vorliegenden CKW konnte dabei anhand der Abbaufolge PCE => TRI => DCE => VC ein für reduktive Dechlorierungsprozesse typisches Konzentrationsmuster entlang der Schadstoffachse festgestellt werden. Für den qualitativen Nachweis mikrobiologischer Abbauprozesse am Modellstandort wurden im Rahmen der Arbeit schließlich zwei weitere, voneinander unabhängige Kenngrößen untersucht. Zum einen wurde ein nasschemisches Extraktionsverfahren zur Bestimmung der Fe(III)/(II)-Verteilung im Sediment ausgearbeitet, mit dem Bereiche einer verstärkten Eisenreduktion identifiziert und Aussagen zur Eisenverfügbarkeit getroffen werden konnten. Zum anderen konnten durch stationär eingebaute Temperaturmessfühler Aquiferzonen mit erhöhten Temperaturen identifiziert werden, die auf eine verstärkte mikrobiologische Aktivität schließen lassen. So traten die höchsten Temperaturen in den Tiefenbereichen auf, in denen auch die höchsten Schadstoffkonzentrationen vorlagen.

At contaminated sites, natural attenuation processes impede the spread of contaminants in the aquifer. Under favourable conditions, these processes may even lead to the stagnation or shrinkage of the contaminant plume. In order to consider these processes in the treatment of residual wastes detailed exploration of site characteristics is required. Gathering this information is often very costly and time consuming. In the present dissertation investigation and monitoring methods for different parameters were devised, which can be used for the integrated evaluation of the natural attenuation potential of former gas work sites. In the works’ fist stage, a multilevel multitracer experiment using three dyed tracers (Uranine, Sulforhodamine B und Sodium Naphthionate) was accomplished to determine the hydrolgeological conditions (longitudinal dispersivity, velocity, and vertical dispersion effects) at a PAH-contaminated model site. To reduce material and personnel costs, a new field fluorometer was developed, that allowed a simultaneous and selective measurement of the concentrations of each of the three dyed tracers. In addition to the automatic field measurements conducted at the test site, the fluorescence intensities were measured for selected samples in the lab by a conventional filter fluorometer. In the work’s second stage, a new method was designed to characterise the availability of the sediment-bound PAH. Based on an extraction sequence the less available PAHs were separated from the more available PAHs. The extraction, which was carried out on a gravely-sand material from the test site, clearly demonstrated that despite of the aged creosote-contamination, a substantial percentage of the PAH mass downstream the old waste deposits was readily available. Furthermore there was no evidence that considerable amounts of the PAH were bound to inner surfaces which are inaccessible to common extraction procedures. The finding that PAHs were highly available could be corroborated through the application of a newly conceived infinite-sink-extraction technology. Additionally, the transferability of the extraction sequence as well as the infinite-sink-extraction could be ensured by its application to a PAH-contaminated soil with a high organic content. The validity of the PAH availability was furthermore confirmed by the results of comprehensive soil and groundwater investigations which were carried out during the course of the dissertation. Unlike the elongated PAH contaminant plume in the groundwater, appreciable PAH concentrations in the soil were measurable only in an area immediately bordering the old waste deposits. In regions in which the groundwater concentrations of PAH were measured at a few hundred µg/l, the sediment PAH concentration was near the analytical detection limit. A relevant contribution of a PAH transport by colloids in groundwater could be ruled out based on the results of the LIBD and ESEM measurements. The PAH partitioning between solids and groundwater which was determined analytically, contradicted the theoretical approach commonly found in the literature which was based on a correlation between Kow and Koc. Along the plume notable concentration reductions of the studied contaminants (PAH, BTXE und CHC) suggest the action of biological degradation processes. On the basis of the degra-dation series (PCE => TRI => DCE => VC), a concentration pattern typical for dechlorination processes could be observed in the case of the CHC’s. Two additional independent parameters, the Fe(III)/Fe(II) ratio and the aquifer temperature, were investigated within the course of the project to qualitatively verify the existence of microbiological degradation processes at the test site. To determine the Fe(III)/Fe(II) ratio in the sediments a wet chemical extraction process was used. With the change of this ratio along the plume regions of stronger iron reduction could be identified and conclusions about the availability of iron could be drawn. The existence of microbiological degradation processes was also confirmed by the temperature measurements with built-in temperature sensors. As expected a good correlation between the temperature and the contaminant concentration could be observed. So a horizontal and a vertical temperature profile could be measured downstream of the contamination source, which indicates increased microbiological activity.