Insitu-Mobilisierung von Arsen im Grundwasserleiter

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 wurde der Standort umfangreich untersucht und hinsichtlich des Mobilitätsverhaltens von Arsen bewertet (s. abgeschlossene Projekte). Zugleich wurden verschiedene Optionen zum Umgang mit der Altlast diskutiert. Die aktive Mobilisierung von Arsen wurde hierbei als zielführende Methode zur Optimierung der laufenden Pump&Treat-Maßnahme bewertet.

Dieser Einschätzung ging eine Reihe von Säulenversuchen voraus, in denen unter verschiedenen geochemischen Milieubedingungen eine beschleunigte Freisetzung von Arsen durch die Zugabe von Phosphat nachgewiesen wurde. Hierbei scheinen geringe Phosphatgaben die biochemischen Prozesse zu unterstützen, während hohe Dosierungen die geochemischen Prozesse verstärken. Im Säulenversuch wurde unter günstigen Bedingungen der vollständige Austrag der an die Feststoffmatrix sorbierten Anteile an Arsen festgestellt.

Im Auftrag der HIM ASG wurde im Rahmen einer Variantenstudie zur Optimierung der laufenden Grundwassersanierung durch das Ingenieurbüro CDM Smith Consult GmbH, Niederlassung Rhein-Main diese Einschätzung bestätigt. In einem weiteren Schritt wurden von der Universität Heidelberg weitere Versuche zur Übertragung der Ergebnisse auf den Standort ausgearbeitet und in enger Abstimmung mit den Projektbeteiligten dem Regierungspräsidium Darmstadt zur Genehmigung vorgelegt.

Zur Übertragung der Ergebnisse wurden zunächst am Standort zwei Großsäulen mit Standortmaterial befüllt und an den Grundwasserzulauf der Wasserreinigungsanlage angeschlossen. Hierdurch sollten die Standortbedingungen weitestgehend erhalten bleiben. In diesen Großsäulen werden derzeit die Säulenversuche aus dem Labor in größerem Maßstab nachgebildet. Zeitlich versetzt werden die Versuchsbedingungen der Großsäulen in ein Testfeld im Aquifer übertragen.

Abbildung 1 a&b: Großsäulen für den Arsenmobilisierungstest (Quelle: CDM Smith)

Die ersten Ergebnisse weisen darauf hin, dass sich die Laborversuche sehr gut auf den Standort übertragen lassen. In der niedrigdosierten Substratzugabe wurden die erwarteten Mehrausträge erreicht bzw. übertroffen. Allerdings zeigte sich auch bei den Laborversuchen, dass bei hoher Dosierung Interaktionen mit dem gelösten Calcium stattfinden. Aus diesem Grund wurde vor dem Einsatz der Methode im Gelände die Ausfällungsproblematik näher untersucht und technische Lösungen für die Stabilisierung des Substrates erfolgreich getestet.

Für die Übertragung im Gelände wurde ein Testfeld mit drei Infiltrationsbrunnen (IB 1 bis IB 3) und 7 Monitoringbrunnen errichtet. Das Testfeld wird hydraulisch durch die Wasserentnahme aus GW 29 gesichert. Das entnommene Wasser wird in der vorhandenen Wasserreinigungsanlage aufbereitet. Die ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass durch die Zugabe von Phosphat das am Sediment gebundene Arsen beschleunigt entfernt werden kann. Nach derzeitigem Kenntnisstand kann der Austrag gegenüber dem unbeeinflussten Zustand um mindestens Faktor 3 erhöht werden. Aufgrund der bisher eher niedrigen Substrateinsätze ist davon auszugehen, dass die Austräge noch deutlich gesteigert werden können.

Für die gezielte Mobilisierung von Arsen lassen sich drei Prozesse nutzen (Maier 2014): die Kompetitive Oberflächenkomplexierung beruht auf einem ähnlichen Verhalten von Arsenat (AsV) und Phosphat, sich an Mineraloberflächen zu sorbieren. Dabei ist die Affinität zur Oberflächenkomplexierung von Phosphat größer als die des Arsens, so dass letzteres von den Oberflächen verdrängt wird. Im Überschuss eingegebenes Phosphat belegt alle möglichen Oberflächen, so dass Arsenat in Lösung verbleibt.

Unter anoxischen Bedingungen lösen sich die Mineraloberflächen teilweise auf, so dass ingesamt weniger Belegungsmöglichkeiten bestehen. Zudem findet die mikrobielle Reduktion von As(V) zu As(III) statt. Reduziertes Arsen bildet nur sehr untergeordnet Oberflächenkomplexe aus und ist daher deutlich stärker mobil als die oxidierte Form. Die mikrobielle Reduktion findet unter Gaben von Phosphat verstärkt statt.

​​

​​
​​

​​

Abbildung 2: Testfeld zum Einsatz der insitu-Mobilisierung im Gelände (Quelle: CDM Smith)

Abbildung 3: Prozesse der Arsenmobilisierung (Maier 2014)

Wichtig erscheint zudem, dass im Rahmen des Forschungsvorhabens wesentliche Anteile einer Dissertation, zwei Diplomarbeiten, eine Masterarbeit und vier Bachelorarbeiten angefertigt werden konnten. Die Ergebnisse sollen in mindestens drei Publikationen in internationalen Fachzeitschriften mit Peer-Review einmünden.  

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