Hydrogeochemische Kopplung von Nitrat und Uran: Mechanismen und Fallbeispiele

Andre Banning1, Julia Röder1, Nadine Pawletko1, Frank Wisotzky1, Christine Kübeck2, Axel Bergmann2
1 Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl Angewandte Geologie
2 IWW Zentrum Wasser, Wasserressourcen-Management, Mülheim an der Ruhr

O 9.8 in Nitrate in groundwater - input, degradation and prognosis

14.04.2016, 12:30-12:45, Plank Hörsaal, Geb. 40.32

 

 

 

Das Schwermetall Uran ist spätestens seit der erstmaligen Einführung eines Grenzwertes in der TrinkwV (10 µg L-1) im Jahr 2011 von besonderer Bedeutung für viele deutsche Wasserversorger. Dies gilt bereits seit langem für das Nitrat, welches v.a. in landwirtschaftlich geprägten Gebieten einen Problemstoff für Trinkwassergewinnungen darstellt.

Die beiden Substanzen weisen eine hydrogeochemische Kopplung auf, die in den meisten Fällen aus der Redoxdynamik von Uran und Stickstoff resultiert: Nitrat kann als Elektronenakzeptor reduziertes U(IV) im Untergrund – z.B. in Form des Minerals Uraninit (UO2) – zur mobilen Form U(VI) oxidieren, und damit für erhöhte Konzentrationen im Grundwasser sorgen. Ferner sind auch bei der Nitratreduktion entstehende Abbauprodukte in der Lage, reduziertes Uran zu reoxidieren und damit zu remobilisieren: Senko et al. (2002) leiten aus dieser Erkenntnis die Erklärung für hohe Urangehalte in Lösung an belasteten Standorten ab, an denen das Sanierungsziel, eine in-situ-Fixierung von Uran durch Erzeugung reduzierender Verhältnisse, bei Anwesenheit von Nitrat verfehlt wurde. Auch Gu & Chen (2003) führen das von ihnen beobachtete Ausbleiben abiotischer Uranreduktion durch organische Substanz auf Nitratanwesenheit zurück.

In einer Studie zur Verteilung geogener Urankonzentrationen im Grundwasser der USA (Nolan und Weber, 2015) werden weiträumig hohe Konzentrationen in bedeutenden Grundwasserleitern auf den flächenhaften Eintrag landwirtschaftlichen Nitrats zurückgeführt. In Deutschland werden sowohl in Mecklenburg-Vorpommern (erhöhte Urankonzentrationen in Hausbrunnen durch Mobilisierung aus einer Nitrat-induzierten Redoxfront im Untergrund; Schwerdtfeger, 2015) als auch in Bayern (Uran in nitratreduzierenden Grundwässern im Abstrom von Kalkniedermooren; Banning et al., 2013) ähnliche Beobachtungen gemacht.

In einem aktuellen Projekt wurden z.T. über dem Grenzwert liegende Urankonzentrationen im Rohwasser einer Wassergewinnung in der Niederrheinischen Bucht beobachtet, die aus der großräumigen Verteilung geogenen Urans in Deutschland so nicht zu erwarten waren. Untersuchungen zur Hydrochemie, Geochemie und Mineralogie des betroffenen quartären Grundwasserleiters sowie zu Uran-Mobilisierungsprozessen deuten darauf hin, dass die am Standort eingesetzte Methode zur Nitratentfernung zu einer Teillösung des geogen in den Sedimenten vorhandenen Urans führt. Hierbei erscheint die Mobilisierung des zu einem bedeutenden Teil karbonatisch und organisch gebundenen Urans durch Minerallösung bzw. Desorption – ohne maßgebliche Beteiligung von Redoxprozessen – entscheidend  zu sein. Im vorliegenden Fall ist demnach nicht von einer direkten hydrogeochemischen Kopplung von Nitrat und Uran, sondern eher von einem Sekundäreffekt durch die Nitratentfernung auszugehen.      



 

 

Banning, A.; Demmel, T.; Rüde, T.R.; Wrobel, M. (2013): Groundwater uranium origin and fate control in a river valley aquifer. – Environmental Science & Technology 47: 13941-13948.

Gu, B.; Chen, J. (2003): Enhanced microbial reduction of Cr(VI) and U(VI) by different natural organic matter fractions. – Geochimica et Cosmochimica Acta 67(19): 3575-3582.

Nolan, J.; Weber, K.A. (2015): Natural uranium contamination in major U.S. aquifers linked to nitrate. – Environmental Science & Technology Letters 2: 215-220.

Schwerdtfeger, B.; Böttcher, G.; Stein, K.; Van Berk, W. (2015): Origin of high uranium concentrations in the groundwater of north-east Germany. – Abstract book AQUA 2015, 42nd IAH Congress, Rom: 37.

Senko, J.M.; Istok, J.D.; Suflita, J.M.; Krumholz, L.R. (2002): In-situ evidence for uranium immobilization and remobilization. Environmental Science & Technology 36: 1491-1496.



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