Experimentelle und numerische Untersuchungen zum mikrobiellen Nitratabbaupotential unter Berücksichtigung der Pyritverfügbarkeit im Hessischen Ried.

Christoph Kludt1, Irina Engelhardt2, Christoph Schüth3
1 Dez. W4 - Hydrogeologie, Grundwasser, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
2 Institut für Geologie, Fachbereich Hydrogeologie und Hydrochemie, TU Bergakademie Freiberg
3 Institut für Angewandte Geowissenschaften, TU Darmstadt

O 9.6 in Nitrat im Grundwasser - Eintrag, Abbau und Prognose

14.04.2016, 12:00-12:15, Plank Hörsaal, Geb. 40.32

 

 

 

Mikrobiologische Abbauprozesse tragen maßgeblich zur Minderung der Nitratbelastung in sedimentären Grundwasserleitern bei, indem Nitrat unter Verbrauch von organischem Kohlenstoff (heterotroph) und Eisensulfiden bspw. Pyrit (autotroph) reduziert wird. Allerdings sind diese Phasen in Sedimenten oft nur in Spuren vorhanden und werden im Verlauf der Reaktionen aufgebraucht, so dass der Nitratabbau zum Erliegen kommen kann. Um Maßnahmen im Zuge der EG-Wasserrahmenrichtlinie umsetzen zu können, wurden, aufbauend auf einem Projekt des Hessischen Landesamts für Umwelt und Geologie (Weber et al., 2015), das Nitratabbaupotential und die Abbauprozesse an Sedimentproben aus dem Hessischen Ried in Säulenversuchen untersucht.

Das Nitratabbaupotential der Sedimente (in Form von Eisensulfiden und org. Kohlenstoff) wurde mittels Festphasenanalytik (u.a. CRS - chromreduzierbarer Schwefel, IRMS, RFA, TOC/TIC-Analysen und REM-Messungen) quantifiziert und charakterisiert. Die Versuche wurden mit sauerstofffreiem, nitrathaltigem synthetischen Grundwasser über sechs Monate durchgeführt. Anhand von Ionen- und Isotopenbilanzen in der Wasser- und Festphase konnten dabei die Abbauprozesse identifiziert und quantifiziert werden, wobei die messbare Veränderung der Verhältnisse stabiler Isotope (δ34S, δ18O) während des Nitratabbaus eine Dominanz des autolithotrophen Abbaus (Sulfidoxidation) aufgezeigt hat.

Im Verlauf des Versuchs konnten nach einer Adaptionsphase (ohne messbaren Abbau), drei verschiedene Abbauphasen beobachtet werden. Dabei folgte auf einen unvollständigen Nitratabbau mit Nitritbildung, ein vollständiger Abbau ohne Nitritbildung, woraufhin eine Erschöpfungsphase mit nachlassendem bzw. unvollständigem Nitratabbau (mit Nitritbildung) beobachtet wurde.

Für eine eindimensionale reaktive Transportmodellierung der o.g. Versuche wurde die Software HP1 (HYDRUS-1D-PHREEQC) verwendet. Die hydraulischen Parameter wurden mittels inverser Modellierung eines Bromid-Tracerversuchs ermittelt. Darauf aufbauend wurden verschiedene Ansätze zur substrat- und biomasseabhängigen Reaktionskinetik nach Monod (1949) bzw. Michaelis-Menten sowie Prommer & Stuyfzand (2005) auf das vorliegende Modell angepasst.

Ziel ist es, den Beitrag und die Kinetik der Nitratabbauprozesse sowie Abbauphasen in Abhängigkeit des Nitrat- und Substratgehalts zu beschreiben, um Prognosen und Indikatoren für ein Nachlassen des dominanten autotrophen Abbaupotentials in sedimentären Grundwasserleitern zu ermitteln.



 

 

 

Monod, J.: The Growth of Bacterial Cultures. Annual Review of Microbiology 3, 371-394, doi:doi:10.1146/annurev.mi.03.100149.002103 (1949)

Prommer, H. & Stuyfzand, P. J.: Identification of Temperature-Dependent Water Quality Changes during a Deep Well Injection Experiment in a Pyritic Aquifer. Environmental Science & Technology 39, 2200-2209, doi:10.1021/es0486768 (2005)

Weber, F.-A., Bergmann, A., Kämpf, M., Spinola, A., Gerdes, H., Kludt, C., Schüth, C., Allendorf, A., Mikat, H. & Berthold, G.: Quantifizierung des Nitratabbauvermögens in den Grundwasserkörpern des Hessischen Rieds und Lokalisierung von Risikogebieten. (Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Wiesbaden 2015)



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