Hydrogeochemie von Spurenelemtnen in Sicker-, Grund- und Trinkwässern

Abstract

Für Spurenelementuntersuchungen in Sickerwässern ist ein besonderer Wert auf die Eignung der zur Verfügung stehenden Lysimeter zu legen. Nicht in allen Anlagen sind die Bedingungen für eine ungestörte Spurenelementanalyse gegeben. Es kann gezeigt werden, daß Baumaterialien starken Einfluß auf die gefundenen Konzentrationen haben können. Edelstahlbehälter können die Elemente Chrom und Nickel in den Lysimeterabläufen anreichern. Behälter mit Zinkrostschutz-Beschichtungen erhöhen zum Teil die Gehalte von Zink, Nickel, Blei und Cadmium erheblich. Auch Kupferleitungen im Auslaß können Störungen verursachen. Einige der zuerst ausgesuchten Lysimeterstationen mußten wegen ihrer offensichtlichen Beeinflussungen von den Betrachtungen ausgeschlossen werden. Es konnten 21 verschiedene Böden auf die Spurenelement-Zusammensetzung ihrer Sickerwässer z. T. über 3 Jahre hinweg beobachtet werden. Die Spurenelementkonzentrationen von 437 Sickerwasserproben wurden untersucht. Mit Aufschluß- und Elutionsverfahren sind aus insgesamt 77 Bodenproben Lösungen hergestellt und ebenfalls auf die Spurenelementkonzentrationen untersucht worden. Alle näher betrachteten Spurenelementgehalte zeigen eine mehr oder weniger deutliche negative Korrelation mit den SiO2-Gehalten der untersuchten Böden bzw. der einzelnen Bodenhorizonte. Der Grund hierfür ist hauptsächlich ein Verdünnungseffekt des mit steigenden SiO2-Gehalten immer mehr dominierenden Quarzes und anderer SiO2-reicher Bodenminerale. Die chemische Zusammensetzung der Böden ist von der Korngrößenverteilung abhängig. Am Beispiel des Kobalts ist dies besonders gut zu beobachten. Man erkennt deutlich, daß Kies und Sand hohe SiO2-Gehalte aber gleichzeitig kleine Kobaltgehalte aufweisen. Mit abnehmender Korngröße nimmt der SiO2-Gehalt ab und der Kobaltgehalt zu. Podsole und eine Gruppe von Parabraunerden mit hohen SiO2-Gehalten zeigen die kleinsten Spurenelementgehalte. Praktisch alle Gehalte der umweltrelevanten Spurenelemente in den Böden korrelieren miteinander. Dies läßt sich ebenfalls durch den erwähnten Verdünnungseffekt mit Quarz bzw. anderen spurenelementarmen Bodenmineralen erklären. Daraus folgt, daß die Spurenelementgehalte der betrachteten Böden nur in bestimmten Bodenkomponenten besonders angereichert sind. In Frage kommen hier Tonminerale, organische Substanzen und akzessorische Minerale wie Apatit, Zirkon oder Monazit sowie die große Vielfalt partikulär eingetragener Substanzen. So läßt sich auch erklären, daß weder die Korngröße noch die Bodenart einen signifikanten Einfluß auf das Lösungsverhalten der Spurenelemente in den hier untersuchten anthropogen nicht besonders belasteten Ackerböden haben. Auf dieser Datenbasis ist es möglich, ein statistisch gesichertes Bild der Konzentrationen und Variabilität von natürlich auftretenden Sickerwässern aus einer repräsentativen Auswahl von Böden aufzuzeigen. Die gefundenen Medianwerte können als Hintergrundkonzentrationen in unbelasteten Sickerwässern gelten. Die hier untersuchten Sickerwässer aus unbelasteten Böden weisen in allen Fällen mittlere Sickerwasserkonzentrationen (Median) unterhalb der festgelegten Sickerwasserprüfwerte auf. Einige Spurenelemente konnten nicht mit Sicherheit bestimmt werden, unter ihnen die Elemente Ag, Au, Ga, Ge, Ir, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Se und Te. Die Spurenelementkonzentrationen in den untersuchten Sickerwässern zeigen zum Teil deutliche Abhängigkeiten untereinander. Um diese darzustellen, wurde eine Clusteranlayse durchgeführt. Es lassen sich acht Gruppen von Elementen bzw. Parametern finden, die gemäß der statistischen Auswertung in den 437 Sickerwässern ein ähnliches bis gleiches Verhalten zeigen: Gruppe 1: Lithium, Cäsium und Thallium, Gruppe 2: Chrom und Molybdän, Gruppe 3: Kobalt, Nickel, Zinn und Uran, Gruppe 4: Wasserstoffionenkonzentration, Beryllium, Rubidium, Yttrium, die Seltenerdmetalle und Mangan, Gruppe 5: Leitfähigkeit und Strontium, Gruppe 6: Kupfer, Zink, Cadmium, Blei und Barium, Gruppe 7: Scandium, Vanadium, Antimon und Wismut sowie Gruppe 8: Zirkon, Thorium und Niob. Arsen zeigt mit keinem anderen Element einen Zusammenhang. Die in den Einträgen gelösten Elemente werden z. T. wie die partikulären Einträge in den obersten Bodenschichten zurückgehalten, beispielsweise As, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Sb, Sn und Zn. Deutlich zeigt sich die Filterwirkung der Böden, wenn man die Frachten der Einträge mit denen der entsprechenden Sickerwässer vergleicht. Eine Korrelation von Konzentrationen und Gehalten der Elutions- und Aufschlußmethoden ist für Böden, deren Spurenelementgesamtgehalte unterhalb der Vorsorgewerte der BBodSchV liegen, in den meisten Fällen nicht sehr deutliche oder überhaupt nicht sichtbar. Insgesamt sind die in dieser Untersuchung verwendeten Böden entsprechend den Vorsorgewerten als unbelastet anzusehen. Anhand von zwei Bodenprofilen kann demonstriert werden, daß sich die Elutionsverfahren sehr unterschiedlich bezüglich der Entnahmetiefe der Proben verhalten. Im Vergleich mit Lysimeterlösungen aus verschiedenen Tiefen zeigt sich für eine Reihe von Elementen (z. B. As, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb und Sn) überproportionale Anreichungen in den Extrakten der oberflächennahen Bodenproben gegenüber denen aus tieferen Horizonten. Es sollten nur Proben unterhalb von ca. 60 cm Tiefe für Sickerwasserprognosen verwendet werden, da es sonst zu Fehleinschätzungen kommen kann. Um normale Sickerwasserkonzentrationen zu ermitteln wurden von den einzelnene Lysimetern Medianwerte bestimmt. Der Beobachtungszeitraum bzw. die Probenzahl sollten nicht kleiner als eine Sickerwasserperiode sein und sich auf mehr als 6 Proben über diesen Zeitraum verteilen. Für die untersuchten Proben scheint nur ein linearer Zusammenhang zwischen Konzentrationen in Eluaten und im Sickerwasser zu bestehen, wenn die Gesamtgehalte deutlich erhöht sind. Die mit den in DIN V 19735 festgelegten Umrechnungen ermittelten Bodensättigungskonzentrationen erstrecken sich für die meisten Elemente in einem größen Konzentrationsbereich, der in Größenordnung der direkt gemessenen Extrakte liegt. Legt man den natürlichen Schwankungsbereich der jeweiligen Sickerwasserkonzentrationen zu Grunde, so zeigen die Lösungskonzentrationen des Bodensättigungsextrakts mit den natürliche auftretenden Sickerwasserkonzentrationen eine ausreichend gute Übereinstimmung. Welche Verfahren mit welchen Elementen die beste Prognose auf eine zu erwartende Sickerwasserkonzentration ermöglichen, müßte durch gezielte Untersuchungen an homogenen mineralischen Stoffen mit hohen Gehalten an umweltrelevanten Elementen unter natrürlichen Bedingugnen überprüft werden. Die Säulenversuche der GSF Neuherberg zeigen, daß sich innerhalb einer relativ kurzen Zeit stationäre Bedingungen einstellen. Systematische Versuche an den in Frage kommenden Stoffen unter natürlichen Bedingungen würden für die Abschätzung der Zuverlässigkeit von Prognoseverfahren notwendige Fracht und Schwankungsbreite in den aufttretenden Sickerlösungen ergeben. Zusammen mit der Charakterisierung der Sorpitonsfähigkeit möglicher Unterbodenmaterialien ließe sich so für die jeweils sehr unterschiedlichen Standorte ein Gefährdungspotential ermitteln. Gelöste Spurenelemente können jedoch auch für die Identifikation von Grudnwasser benutzt werden. Durch die Wahl von geeigneten Elementen ist es möglich, Mischungsberechnungen für Wässer vorzunehmen, deren Herkunft unklar ist und die sich in ihren Hauptelementen kaum unterscheiden. Bei der Trinkwasseraufbereitung werden viele der gelösten Spurenelement (As, Cd, Cu, Ni, Pb und Zn) aus dem Wasser entfernt. Spurenelemente, speziell Schwermetalle, können aber selbst durch eine kurze Verweilzeit in Rohren aus Kupfer (Hausinstallationen) wieder gelöst werden (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Sn und Zn). Der Aufbau der Mangankrusten in der Trinkwasseraufbereitung stellt eine Art Kalender für die langfristigen Veränderungen der Haupt- und Spurenelementchemie eines Oberflächengewässers dar. Er zeigt neben den jährlichen Umwälzungsphasen und Biozyklen den langfristigen Einfluß von Veränderungen des Ökosystems und der stetigen Weiterentwicklung der Trinkwasseraufbereitung.