Schwefelisotopenfraktionierung in abwässerbelasteten Sedimenten - Biogeochemische Umsetzungen und deren Auswirkung auf den Schwermetallhaushalt

  • Forschungsthema:Arbeitsfeld Urbane Geochemie
  • Typ:Doktorarbeit
  • Betreuer:Prof. Dr. D. Stüben
  • Bearbeiter:Dr. Andrea Stögbauer

Motivation

Aus undichten Kanälen versickerndes Abwasser unterliegt im Untergrund biologischen und chemischen Umsetzungsprozessen, wodurch seine Inhaltsstoffe ganz oder teilweise abgebaut und im Untergrund festgelegt werden oder auch ins Grundwasser  versickern. Die Prozesse sind abhängig von Leckageart, Untergrund und Abwasserzusammensetzung und bestimmen gemeinsam das Gefährdungspotential einer Kanalleckage für den Boden oder für das Grundwasser mit.

Ziel dieser Arbeit ist es, die biogeochemischen Umsetzungen anhand der Schwefelisotopie des versickernden Abwassers und des abwasserbelasteten Bodens zu charakterisieren. Die Schwefelisotopie als Indikator der Umsetzungen wurde schwerpunktmäßig betrachtet, da einerseits Abwasser einen vergleichsweise hohen Sulfatgehalt aufweist und die bakterielle Sulfatreduktion einen bedeutenden Anteil an der Umsetzung der organischen Abwasserfracht hat, andererseits weil bei der bakteriellen Sulfatreduktion eine Fraktionierung der Schwefelisotopen stattfindet, deren Ausmaß von den jeweiligen Milieubedingungen abhängig ist. Die bei der Sulfatreduktion gebildeten Sulfide führen außerdem zur Festlegung von Schwermetallen und tragen daher zu einer Aussage über den Schwermetallhaushalt unter einer Kanalleckage bei.

In Laborversuchen wurden zunächst untersucht, ob abwasserspezifische Bedingungen einen Einfluss auf das Ausmaß der Isotopenfraktionierung bei der bakteriellen Sulfatreduktion haben. Hierzu wurden Batchexperimente mit Bakterienkulturen durchgeführt, in denen die Reaktionsbedingungen denen im ab wasserbelasteten Untergrund angenähert wurden. Die Veränderungen des versickernden Abwassers bei der Untergrundpassage sowie die Auswirkungen auf den Untergrund wurden in Säulenexperimenten untersucht. Hierzu wurden sandgefüllte Säulen mit unterschiedlichen Abwasserarten beschickt. Die Beobachtung der Sickerwasserzusammensetzung in Abhängigkeit von Zeit und Entfernung zur Abwasseraufgabestelle ermöglichte eine Beschreibung der zeitlichen Entwicklung der Bedingungen im Untergrund. Die Auswirkungen des versickernden Abwassers auf den Untergrund wurden durch Untersuchung des Füllmaterials der Säulen nach unterschiedlich langen Betriebszeiten ermittelt.

     
   Bild 1: Batchversuche Bild 2: Säulenversuchsstand (Säulenhöhe: 1,2 m/ Säulendurchmesser 0,2 m)

Vorläufige Ergebnisse weisen darauf hin, das sich das Ausmaß der Isotopenfraktionierung im abwasserspezifischen Milieu nicht wesentlich von dem unter anderen Bedingungen unterscheidet. Die Säulenversuche zeigten, dass die biologischen Abbauvorgänge zu einer Veränderung der Redoxbedingungen im Untergrund und damit zu einer Mobilisierung von Metallen führten. Die Schwefelisotopie des Ablaufwassers erwies sich als Indikator der Stabilität der Redoxbedingungen im Untergrund. In der Festsubstanz führte die Abwasseraufgabe zu einer Festlegung von Schwermetallen im oberen Bereich und zu einer Auslaugung redoxsensitiver Elemente im gesamten Tiefenprofil. Die Isotopenzusammensetzung des Schwefels im abwasserbelasteten Füllmaterial zeigt die Lage und Verteilung unterschiedlicher Redoxbereiche sowie deren Veränderungen in Abhängigkeit von der Betriebszeit an.

Das Thema wurde im Rahmen der interdisziplinären Forschergruppe „Kanalleckagen“ bearbeitet. Die Ergebnisse der Dissertation sollen mit dazu beitragen, das Gefährdungspotential einer Kanalleckage und die Dringlichkeit der Sanierung abzuschätzen.