Grundwasser: chemische Vorgänge bei der Infiltration. Redoxprozesse im Grundwasser Transport reaktiver Spezies

Transkript

1 Grundwasser: chemische Vorgänge bei der Infiltration Redoxprozesse im Grundwasser Transport reaktiver Spezies

2 Belastungsquellen für Grundwasser

3 Problematische Stoffe im Grundwasser für Trinkwassernutzung Abbaubares organisches Material: anoxische Bedingungen Fe(II), Mn(II), S(-II), NH 4 + Nitrat Organische Mikroverunreinigungen Transport abhängig von Stoffeigenschaften Schwermetalle Transport abhängig von Spezierung Geogene Schadstoffe: Arsen, Fluorid

4 Vorgänge bei Versickerung ins Grundwasser

5 Vergleich der Zusammensetzung von Grundwasser GW Rheinau GW Winterthur ph Ca mm Alk mm H 2 CO 3 * mm

6 Infiltration von Flusswasser ins Grundwasser Glatt Beobachtungsrohre Infiltration Grundwasser

7 Ca und Alk bei Infiltration GW Glatt 5 mmol/l Alk CaCO 3 (s) + CO 2 + H 2 O Ca HCO Ca Distanz m

8 Konzentrationsverlauf auf Infiltrationsstrecke GW Glatt 350 µmol/l DOC CH 2 O + O 2 CO 2 + H 2 O O 2 NH O 2 NO H + + H 2 O 50 NH Distanz m

9 Reduktion von NO 3 - und Mn(IV) 350 µmol/l 300 µmol/l NO Mn(II) NH Distanz m Distanz m

10 Redoxzonen unterhalb einer Deponie (Heron and Christensen 1995)

11 Modell für Redoxreaktionen in Aquifer - Kinetisches Modell für Abbau von organischem C in Aquifer - Sequentieller Verbrauch der Elektronenakzeptoren : O 2, NO 3-, MnO 2, Fe(OH) 3, SO 4 2-, CO 2 - Kinetische Ausdrücke für jede der berücksichtigten Reaktionen - Sekundäre Redoxraktionen: Oxidation von Fe(II), Mn(II), NH 4+, H 2 S, CH 4 - Kopplung mit Transport durch Advektion und Dispersion (Hunter et al. 1998)

12 Oxidation des organischen Materials Oxidation von organischem Material: (CH 2 O)a(NH 3 )b a CO 2 + b NH 4 + -a H 2 O +(4a -b)h + + 4a e - R i DOC Problem : Reaktivität verschiedener DOC-Fraktionen Reaktionen gekoppelt mit Reduktion der Oxidationsmittel

13 Beispiel kontaminiertes Aquifer m Distanz von Deponie

14 Thur-Renaturierung: Einfluss auf infiltrierendes Grundwasser (S. Peter et al., Freshwater Biology 2012)

15 Thur: DOC-Infiltration und Abbau Renaturiert Kanalisiert (S. Peter et al., Freshwater Biology 2012)

16 DOC-Zusammensetzung Polysaccharide Huminstoffe Bestandteile von Huminstoffen Substanzen mit tiefen MG (LMW) Amphiphile Moleküle (S. Peter et al., Freshwater Biology 2012)

17 Schadstofftransport im Grundwasser Trinkwasserfassung Schadstoffe,z. B. Deponie

18 Transport durch poröses Medium Wasser u H2O Substanz X u X - Konservative Substanz: gleich schnell wie Wasser - sorbierende Substanz : langsamer als Wasser

19 Adsorption an fester Phase O M O O M M M 2+ O H Transport gelöster Spezies

20 Retardation c 0 a b Wie schnell wird die Substanz X im Vergleich zum Wasser transportiert? Retardationsfaktor: R = mittleregeschwindigk.wasser mittleregeschwindigkeitx

21 Retardationsfaktor - von Substanzeigenschaften abhängig : (Ad)sorption, Kp - von Eigenschaften des porösen Mediums abhängig: Dichte/Porosität R = 1 + ρ/θ Kp Kp = Verteilungskoeffizient fest / Wasser Kp = c s mol/ kg c w mol/ L

22 Verteilung von retardierter Substanz

23 Einfluss von Adsorption und Abbau auf Transport im porösen Medium

24 Verteilungskoeffizient Kp für Metalle Annahme für Metalle: Verteilung fest / Lösung durch Adsorption an Oberfläche und Komplexbildung in Lösung bestimmt In Lösung: [M] Lösung = [M z+ ]+ [ML i ] [M] Lösung = [M z+ ](1+ Ki[L i ]) An Oberfläche: {M}s = { S-O-M (z-1)+ } + {( S-O-) 2 M (z-2)+ } {M}s = [M z+ ] (β{ S-O-H} n [H + ] -n ) Kp = Σ( β{ S OH} [H (1 + ΣK [L ]) i n i + ] n )

25 Kolonnenversuche zur Untersuchung des Transports durch poröses Medium Sammlung von Fraktionen Lösungen ein: c 0 Gemessen : c/c 0 Kolonne mit porösem Material, z. B. Quarzsand Pumpe

26 Poröses Material in Kolonne Quarzsand: Quarz 99%, Feldspate 1%, Tonmineralien 1, Spuren von (Hydr)Oxiden Porenvolumen V p Länge, Durchmesser, Masse des porösen Materials Verhältnis V/V p

27 Verhalten von Hg(II) in einer Quarzsandkolonne

28 Verhalten von As(V), Tributylzinn und Hg(II) in einer Quarzsandkolonne TBT (Behra et al. 1998)

29 Chrom im Grundwasser unterhalb einer industriellen Altlast (Loyaux-Lawniczak et al. 2001)

30 Chrom im Grundwasser unterhalb einer industriellen Altlast (Loyaux-Lawniczak et al. 2001)

31 Transport organischer Schadstoffe Kp für organische Schadstoffe abhängig von: - Substanzeigenschaften - Anteil an organischem Kohlenstoff in fester Phase Einfluss von biologischem Abbau

32 Beispiele von Schadstoffen in belastetem GW Chlorierte Lösungsmittel Kohlenwasserstoffe Benzinzusatzstoffe Arsen (Roy et al., ES&T 2010)

33 Abbau organischer Schadstoffe in Grundwasser BTEX: Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol ( A. Fischer et al.,environ. Sci. Technol. 2007, 41, )