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Bestimmung von Redoxzonen in einem mineralölbelasteten Grundwasserleiter

Determination of redox zones in a mineral-oil contaminated aquifer

Zusammenfassung

Ziel und Absicht

Ziel dieser Untersuchung ist es, in einem Grundwasserleirer mit einer Mineralölkohlenwasserstoff-Verunreinigung die Ausbildung der folgenden charakteristischen Redoxzonierung in der Schadstofffahne der Kontamination zu ermitteln und grafisch darzustellen: Methanogene Bedingungen, Sulfatreduktion, Eisen(III)-Reduktion, Mangan(IV)-Reduktion, Nitratreduktion, aerobe Bedingungen. Damit sollen Hinweise auf Art und Ausmaß mikrobiologischer Abbauprozesse schnell und einfach erhalten werden, die im Zuge der Altlastenbearbeitung durch Einsatz von Natural Attenuation (NA) essentiell sind.

Methoden

Hierzu werden Zustrom, Zentrum und Abstrom des Schadensherdes im Hinblick auf Änderungen der Parameter Redoxpotenzial, Sauerstoff-, Nitrat-, Sulfat-, Eisen(II)-, Mangan(II)-, Hydrogencarbonat- und Calciumkonzentration untersucht. Die Ergebnisse werden sodann in einer Abfolge von lokalen Darstellungen in Form von Strahlendiagrammen verdeutlicht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Für den Abbau von Kohlenwasserstoffen werden Mikroorganismen immer den Elektronenakzeptor benutzen, bei dem sie durch die entsprechenden Redoxreaktionen den maximalen Energiegewinn erzielen. Das bedeuter, solange Sauerstoff verfügbar ist, wird dieser genutzt. Nach dessen Erschöpfung tritt Nitrat an seine Stelle, was über Nitrit zur Bildung von Stickstoff oder Ammonium führt. Als nächstes können Mangan(IV) und Eisen(III) Spezies, die nur gering wasserlöslich sind und sich hauptsächlich in der Festphase befinden, als Elektronenakzeptoren dienen. Dies führt zu löslichen Mangan(II) und Eisen(II) Verbindungen im Grundwasser. Bevor schließlich methanogene Bedingungen eintreten, wird Sulfat zum geeigneten Elektronenakzeptor, wodurch Schwefelwasserstoff gebildet wird.

Die unterschiedlichen Prozesse der Mineralisierung von Kohlenwasserstoffen führen zur Produktion von CO2 und damit zu einer Erhöhung von HCO 3 im Grundwasser, wodurch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht verschoben wird. Dies bedeutet die Bildung von löslichem Ca(HCO3)2 aus unlöslichem CaCO3 und damit eine Erhöhung der Gehalte von Ca2+ im Grundwasser. Der Abbau der Kohlenwasserstoffe durch Mikroorganismen führt somit zu einer charakteristischen Redoxzonierung und zur Änderung sekundärer Parameter wie Ca2+ und HCO 3 .

Empfehlungen und Ausblick

Verfolgt man die zeitlichen und räumlichen Veränderungen einiger charakteristischer Grundwasserparameter, bietet sich eine einfache Möglichkeit, das vorhandene Potenzial des mikrobiologischen Abbaus einer Grundwasserverunreinigung im Hinblick auf Natural Attenuation (NA)-Prozesse abzuschätzen.

Abstract

Goal and Scope

The goal of this study is the investigation and the grafic presentation of the characteristic redox zonation in a mineral oil contaminated aquifer which will be formed in the plume downstream of the contamination source. Methanogenic conditions, sulfate-reduction, Fe(III)-reduction, Mn(IV)-reduction, nitrate-reduction, aerobic conditions. By that indications type and degree of microbial degradation which is the most important part in Natural Attenuation (NA) processes can be obtained easily.

Methods

Changes of the groundwater parameters Eh, O2, NO 3 , SO4 2−, Fe2+, Mn2+, HCO3 , Ca2+ will be measured upstream, downstream and also in the centre of the plume. The results will be presented in a sequence of special diagrams.

Results and Conclusion

When microbial degradation of hydrocarbons takes place, a microbial community will always use that electron acceptor from which it will gain a maximum of energy by the corresponding redox-reactions. This means as long as oxygen is available this will be used. After its depletion nitrate serves as electron acceptor leading via nitrite to the formation of nitrogen or ammonia. Manganese (IV) and Iron (III) species which are rather insoluble are mainly available from the soil-phase, can act as electron acceptor as next, leading to soluble Manganese (II) and Iron (II) compounds in groundwater. Finally before methanogenic conditions occur sulphate will become a suitable electron acceptor leading to the formation of hydrogen sulphide. All these processes of mineralization of the hydrocarbons will lead to the production of CO2 and as consequence to an increase of HCO3 in groundwater changing the calcareous/carbonic acid-equilibrium. By that more soluble Ca(HCO3)2 is formed from insoluble CaCO3, so the concentration from Ca2+ will also inerease. Thus, by the action of microorganisms, a typical redox-zonation and changes of other parameters will occur.

Recommendations and Perspective

To follow the changes in time and space of some characteristic groundwater parameters is a simple way to estimate the potential of microbial degradation in a contaminated aquifer considering Natural Attenuation (NA)-processes.

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OnlineFirst: 20. August 2004

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Huth, R., Hartmann, R., Kiesel, M. et al. Bestimmung von Redoxzonen in einem mineralölbelasteten Grundwasserleiter. UWSF - Z Umweltchem Ökotox 16, 239–244 (2004). https://doi.org/10.1065/uwsf2004.08.084

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Schlagwörter

  • Elektronenakzeptor
  • Grundwasser
  • Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
  • mikrobieller Abbau
  • Mineralisierung
  • Mineralölkohlenwasserstoff-Verunreinigung
  • Natürliche Selbstreinigung
  • Redoxzonierung
  • Schadstofffahne

Keywords

  • Calcerous/carbonic acid-equilibrium
  • contamination plume
  • elecron acceptor
  • groundwater
  • microbial degradation
  • mineralization
  • mineral oil contamination
  • natural attenuation
  • redox zonation