Das grundsätzliche Verständnis von Karstgrundwasserleitern ist essentiell für das nachhaltige Management der Rohwasserqualität und letztendlich für sauberes Trinkwasser für bis zu 25 Prozent der Weltbevölkerung. Um dieses Verständnis zu verbessern, wird in der vorliegenden Arbeit das Speicher- und Attenuationspotential eines Karstgrundwasserleiters untersucht. Hierbei werden organische Spurenstoffe als Indikatoren für Transportpfade, Attenuation und Attenuationsprozessen eingesetzt.
Als Voraussetzung für die Erfassung belastbarer Daten, wurden geeignete Stabilisierungsstrategien für organische Spurenstoffe in Wasserproben bewertet: Zugabe der Biozide (i) Kupfersulphat und (ii) Natriumazid zu Wasserproben nach der Probenahme und anschließende Lagerung der Proben in flüssiger Form sowie (iii) sofortige Festphasenextraktion (SPE), was zu einer Stabilisierung der Proben durch eine Reduktion des Wassergehaltes führt. Es wurden Fluss- und behandeltes Abwasser untersucht. Diese zeichnen sich üblicherweise durch ein hohes Potential für biologische Aktivität und demnach hohe Biotransformationsraten aus. Analysiert wurde der Einfluss der Lagerungstemperatur von 4 und 28° C für die Proben, die in flüssiger Form gelagert wurden und von 4, 20 und 40° C für die Lagerung der SPE-Kartuschen. Kühlen der Wasserproben allein reichte nicht aus, um die Proben für längere Zeit (> 24 h) zu stabilisieren. Die Zugabe von Kupfersulphat führte zu Problemen mit Azol- und Imidazol-ähnlichen Verbindungen. Natriumazid erwies sich als geeigneter Stabilisierungszusatz. Die besten Ergebnisse konnten für kühl gelagerte SPE-Kartuschen beobachtet werden.
Im darauffolgenden Kapitel wird das Langzeitspeicherpotential von Karstgrundwasserleitern untersucht. Um eine nachhaltige Rohwasserqualität zu gewährleisten ist das Verständnis dieses Potentials essentiell. Die Transportdynamik der zwei Herbizide Metazachlor und Atrazin sowie dessen Abbauprodukt (Desethylatrazin) wurde an einer Karstquelle untersucht. Sogar 20 Jahre nach dessen Anwendungsverbot konnten Atrazin und dessen Abbauprodukt nahezu immer im Quellwasser in geringen Konzentrationen (wenige ng L‒1) nachgewiesen werden. Metazachlor dagegen tritt nur nach Niederschlagsereignissen auf und die beobachteten Konzentrationen sind deutlich höher. Ein Vergleich der Dynamik der zwei Herbizide mit der der anorganischen Kationen Ca2+, Mg2+ und der elektrischen Leitfähigkeit zeigte, dass Atrazin mit diesen Parametern korreliert. Aus dieser Beobachtung konnte abgeleitet werden, dass Atrazin innerhalb der Gesteinsmatrix vorliegt und die Rohwasserqualität für Jahrzehnte beeinflusst.
Um das in-situ Attenuationspotential innerhalb des Röhrensystems eines Karstgrundwasserleiters zu identifizieren und das Risiko, das von organischen Spurenstoffen ausgeht, abzuschätzen, wurde ein Doppeltracer-Experiment durchgeführt: Der reaktive Stoff Coffein wurde als Markierungsstoff genutzt um das in-situ Attenuationspotential des untersuchten Grundwasserleiters zu bewerten. Aufgrund der niedrigen Bestimmungsgrenze konnten sehr geringe Mengen eingesetzt werden. Um ein Modell zu kalibrieren und die Attenuation des Coffeins zu visualisieren wurde der konservative Markierungsstoff Uranin simultan eingegeben. Diese Methodik wurde in einem gut charakterisierten Karstgrundwasserleiter in Baden-Württemberg getestet. Die Ergebnisse zeigten eine deutlich höhere Attenuationsrate als für einen Karstgrundwasserleiter erwartet wurde. Die Attenuation wurde als Prozess erster Ordnung beschrieben; die bestimmte Halbwertszeit betrug 104 h. Diese geringe Halbwertszeit deutet darauf hin, dass das generell angenommene geringe Attenuationspotential nicht gerechtfertigt ist. Der beobachtete Massenverlust des Coffeins zeigt auf, dass Coffein als reaktiver Markierungsstoff in hydraulisch hochdurchlässigen Systemen, wie Karstgrundwasserleitern, zur Untersuchung des in-situ Attenuationspotentials geeignet ist. Aufgrund der hohen Attenuationsrate des Coffeins, ist nicht mit einer Langzeitkontamination zu rechnen. In der Kombination mit einem konservativen Referenzmarkierungsstoff wird in diesem Kapitel eine ökonomische und ökologisch ungefährliche Methode zur Bestimmung des in-situ Attenuationspotentials vorgestellt.
Aufgrund der Ergebnisse des Doppeltracer-Experiments wurde ein Multitracer-Experiment durchgeführt um das ermittelte Attenuationspotential zu verifizieren, dessen Übertragbarkeit auf andere Stoffe zu überprüfen und die Attenuationsprozesse zu spezifizieren. Als Referenzsubstanzen wurden Uranin, Acesulfam und Carbamazepin gemeinsam mit den reaktiven Markierungsstoffen Atenolol, Coffein, Cyclamat, Ibuprofen und Paracetamol in eine Doline eingegeben. Die Durchbruchskurven der reaktiven Markierungsstoffe wurden relativ zu den Referenzsubstanzen ausgewertet. Für keinen der Stoffe konnte eine signifikante Retardation beobachtet werden. Die ermittelten Halbwertszeiten betrugen 38 bis 1400 h (d. h. stabil innerhalb des Beobachtungszeitraums) in der folgenden Reihenfolge (von hoher zu keiner Attenuation absteigend sortiert): Paracetamol > Atenolol ≈ Ibuprofen > Coffein >> Cyclamat. Die Attenuationsraten stimmen generell mit denen aus anderen Studien, die andere Umweltkompartimente untersuchten, und den Ergebnissen des Doppeltracer-Experiments überein. Das Auftreten des Biotransformationsproduktes Atenololsäure diente dem Nachweis von in-situ Biotransformation innerhalb des Karstgrundwasserleitersystems.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-goettingen.de/oai:ediss.uni-goettingen.de:11858/00-1735-0000-0022-5F58-3 |
| Date | 04 August 2014 |
| Creators | Hillebrand, Olav |
| Contributors | Licha, Tobias PD Dr. |
| Source Sets | Georg-August-Universität Göttingen |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis |
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