Uni-Bayreuth

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Prozessorientierte Untersuchung zum Nitratabbauvermögen der Grundwasserkörper im Hessischen Ried als Grundlage für die Umsetzung von Maßnahmenprogrammen in der Wasserrahmenrichtlinie

Christoph Kludt1, Frank-Andreas Weber2, Axel Bergmann2, Kay Knöller3, Christoph Schüth1
1 Technische Universität Darmstadt Institut für Angewandte Geowissenschaften
2 IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser Beratungs- und Entwicklungsgesellschaft mbH
3 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung- UFZ Department Catchment Hydrology

P 12.7 in Grundwasserqualität

Das Hessische Ried wird, neben dessen intensiver landwirtschaftlicher Nutzung, zur Trinkwassergewinnung für die Metropolregion Rhein-Main genutzt. Die Auswaschung von Stickstoffhaltigen Düngemitteln hat in den vergangenen Jahrzenten gebietsweise zu hohen Nitratkonzentrationen im Grundwasser geführt.

Mikrobiologische Abbauprozesse leisten einen maßgeblichen Beitrag zur Minderung der Nitratbelastung. Dabei ist entscheidend, dass der Nitratabbau unter anoxischen Bedingungen mit dem Verbrauch von hauptsächlich zwei Reduktionsmitteln einhergeht: zum einen heterotroph mit leicht abbaubaren organischen Kohlenstoff (TOC) und zum anderen autolithotroph durch Eisensulfide/-disulfide wie Pyrit (FeS2) (Postma et al. 1991, Wisotzky et al. 2011). In letzter Zeit verdichten sich Anzeichen, dass in manchen Gebieten diese oft nur in Spuren vorhanden reaktiven Phasen soweit aufgebraucht sind, dass sich der Nitratabbau im Grundwasserleiter verlangsamt bzw. ganz zum Erliegen kommt (DVGW 2013).

Um gezielt Maßnahmen zur Minimierung der Nitratbelastung umzusetzen, werden im Rahmen dieser Arbeit die im Grundwasserkörper ablaufenden Prozesse und das verfügbare Abbaupotenzial untersucht. Dabei wurde in Feldmesskampagnen mit tiefenorientierter Probenahme und Multiparametersondenmessungen (Eh, pH, LF, O2 und NO3-) anhand der Redoxzonierung eine kleinräumig heterogene Verteilung des Nitratabbaus im Hessischen Ried festgestellt. Durch N2/Ar–Beprobung von 8 Messstellen konnte nachgewiesen werden, dass von dem eingetragenen Nitrat (2-270 mg/l) ein Anteil von 2 bis 100 % auf dem Fließpfad abgebaut wurde. Die Verteilung der reaktiven Phasen Eisensulfid/-disulfid und TOC in den Sedimenten wurde an Proben von zwei Kernbohrungen bis 60 m u. GOK mit CRS (chromreduzierbarer Schwefel), Röntgenfluoreszenz (RFA), TOC/TIC-Analysen sowie REM-Messungen untersucht. Im ersten Bohrkern wurden signifikante S-Sulfid Gehalte von bis zu 123 mg-S/kg sowie ein lokaler Abbauhorizont mit hohen TOC- und Sulfidgehalten festgestellt. Im zweiten Bohrkern konnten nur vergleichsweise geringe TOC- und Sulfidgehalte < 18 mg-S/kg gemessen werden. Die Proben des ersten Bohrkerns zeigten auch in Batchversuchen die höchsten Abbauraten, wogegen die Sedimente des zweiten Bohrkerns keinen messbaren Nitratabbau über 90 Tage zeigten.

Die messbare Veränderung der Verhältnisse stabiler Isotope (δ34S, δ18O und δ15N) während der Abbauprozesse (Knöller et al. 2011) wurde genutzt, um sowohl in Grundwasserproben als auch in Batch-Laborversuchen die Nitratabbauprozesse zu untersuchen. Dabei deuten die Ergebnisse in der ersten Batchversuchsreihe auf eine Dominanz des autolithotrophen Abbaus im lokalen Abbauhorizont unter Verbrauch von Eisensulfid hin. Durch den Vergleich dieser Daten mit Messwerten von ausgewählten Grundwassermessstellen können die dominanten Abbauprozesse im Hessichen Ried identifziert werden.

 



DVGW (2013): Konsequenzen nachlassenden Nitratabbauvermögens in Grundwasserleitern – Abschlussbericht. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben W1/06/08.

Knöller, K., C. Vogt, M. Haupt, S. Feisthauer, H.-H. Richnow (2011): Experimental investigation of nitrogen and oxygen isotope fractionation in nitrate and nitrite during denitrification. - Biogeochemistry, 103(1-3): 371-384.

Postma, D., C. Boesen, H. Kristiansen, F. Larsen (1991): Nitrate Reduction in an Unconfined Sandy Aquifer - Water Chemistry, Reduction Processes, and Geochemical Modeling. - Water Resources Research, 27: 2027-2045.

Wisotzky, F., M. Leson, et al. (2011): Nitratabbaukapazität im Grundwasserleiter der Halterner Sande. - bbr, 06/2011: 46-52.

Letzte Änderung 01.11.2013