Hydrogeochemie und Hydrogeologie
Untersuchungen zum reaktiven Transport von Arsen
Am Standort Lampertheim-Neuschloss in Hessen wurden durch den Betrieb einer chemischen Fabrik im vorigen Jahrhundert Schadstoffe in den Untergrund eingebracht. Im Rahmen des angewandten Forschungsprojektes der Arbeitsgruppe Hydrogeochemie und Hydrogeologie sollte die Grundwasserbelastung mit Arsen im Auftrag der HIM ASG einer unvoreingenommenen Neubewertung unterzogen werden. Zielsetzung der Untersuchungen war es, die in Depots gebundenen Arsenmengen durch neuartige Extraktionsverfahren aufzuschlüsseln, zu bilanzieren und die Gefährdungen für das Grundwasser insbesondere im Hinblick auf die Nutzung des im Abstrom gelegenen Wasserwerks Bürstadt zu beurteilen.
Im Zeitraum zwischen Oktober 2009 und Juni 2011 wurden die folgenden Untersuchungen vom Ingenieurbüro CDM Consult, Niederlassung Rhein-Main sowie über beauftragte Fachfirmen unter wissenschaftlicher Begleitung der Uni Heidelberg durchgeführt und Grundwasser- und Bodenproben am Standort entnommen. Die Proben wurden im Labor der Universität Heidelberg vorbehandelt und laboranalytisch untersucht:
- zweimalige Probenahme an den vorhandenen Grundwassermessstellen
- Niederbringung von Linerbohrungen und Direct-Push-Sondierungen zur Gewinnung von Feststoffproben und zur Messstellenerrichtung
Die Universität Heidelberg wurde in dieser Fragestellung konsultiert, da in der Vergangenheit durch die Arbeitsgruppe von Frau Prof. Isenbeck-Schröter bereits Projekte bearbeitet und publiziert wurden, bei denen das Mobilitätsverhalten von Arsen untersucht wurde. Hierbei kamen neben Standardanalytik auch spezielle Verfahren zur Speziesanalyse von Arsen zum Einsatz. Im Rahmen des Projektes in Lampertheim sollten diese Extraktionsverfahren optimiert werden.
Da die chemischen Bindungsformen von Arsen unter atmosphärischen Bedingungen instabil sind, wurde zur Konservierung der Milieubedingungen in den Bodenproben ein spezielles Verfahren entwickelt und angewendet, bei dem die Probenvorbereitung unter anoxischen Bedingungen erfolgen konnte. Hierbei wurden an den Feststoffproben verschiedene Extraktionsverfahren modifiziert und weiterentwickelt.
Kernpunkt des Forschungsprojektes war die Untersuchung des Mobilitätsverhaltens von Arsen unter verschiedenen Milieubedingungen. Hierzu wurden acht Säulenexperimente mit Standortmaterial aufgebaut und mit künstlich angesetzten Versuchswässern durchströmt. Durch Veränderungen der Wasserzusammensetzung wurden die für die Mobilität von Arsen verantwortlichen Reaktionen ausführlich studiert und der Kenntnisstand der Wissenschaft bezüglich dieser Reaktionen entsprechend erweitert.
Für die Interpretation der Ergebnisse und als Prognoseinstrument für zukünftige Entwicklungen wurden mathematische Interpolationsansätze (Anwendungssoftware SURFER) und numerische Modellierungen (PHREEQC und MODFLOW) eingesetzt. Hierzu wurde eine neue Software angeschafft, die – nach entsprechender Programmierung - in der Lage ist, den Transport von Arsen unter Berücksichtigung der ablaufenden Reaktionen zu modellieren. In dieser Disziplin bestehen in der Arbeitsgruppe noch weitreichende Entwicklungs- und Vertiefungsmöglichkeiten, da die Modellprogramme auch in anderen Forschungsvorhaben der Arbeitsgruppe anwendbar sind.
Wichtig erscheint zudem, dass im Rahmen des Forschungsvorhabens wesentliche Anteile einer Dissertation, zwei Diplomarbeiten und vier Bachelorarbeiten angefertigt werden konnten. Die Ergebnisse sollen in mindestens drei Publikationen in internationalen Fachzeitschriften mit Peer-Review einmünden.
Mit den vorliegenden Erkenntnissen und Bewertungen wurde für den Untersuchungsstandort festgestellt, dass nach dem heutigen Stand der Technik erfolgende Maßnahmen zur Sanierung oder Überwachung der Grundwasserbelastung für unbegrenzte Zeit fortgesetzt werden müssten, um das Wasserwerk im Abstrom der Belastung uneingeschränkt zu schützen. Eigene Erkenntnisse aus Laborexperimenten weisen darauf hin, dass auf der Basis einer aktiven Mobilisierung des am Feststoff angelagerten Arsens eine alternative Sanierungsmethode entwickelt werden könnte. Bei der Anwendung dieser Methode wäre mit einer deutlich verringerten Sanierungsdauer zu rechnen. Kosten könnten damit in erheblichem Umfang reduziert werden. Es ist beabsichtigt, dem Land Hessen (vertreten durch das Regierungspräsidium Darmstadt) ein Nachfolgeprojekt für den Standort Lampertheim anzubieten. In diesem Projekt soll durch weitere Laboruntersuchungen und einen Pilotversuch auf dem Standort dieser neue Sanierungsansatz entwickelt werden.
Maier M. (2014): Insitu-Mobilisierung von Arsen im Grundwasser durch Phosphat: Prozessstudie und Entwicklung einer neuartigen Sanierungsmethode an einem Altstandort in Hessen, Deutschland / Südwestdeutscher Verlag für Hochschulschriften, ISBN-13: 978-3-8381-5015-4
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