Impacts of clogging minerals and groundwater extraction on mobility of arsenic in aquifers
Creators: name: Shtirkin, Yefim
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: groundwater modeling
arsenic in groundwater
reactive transport modeling
PHREEQC
PHAST
hydrogeochemical modeling
arsenic mobility

description: Weltweit stellen mit Arsen (As) belastete Grundwässer eine große Gefahr für die Menschen dar. Am stärksten ist Asien von diesem Problem betroffen. Hier ist die Gesundheit von Millionen Menschen betroffen. Die Freisetzung und die Mobilität von As im Grundwasser werden maßgeblich durch hydrogeochemische und mikrobiologische Prozesse gesteuert. Es ist allgemein anerkannt, dass Fe-Mineralien, insbesondere Fe-Oxide oder -Sulfide, eine wichtige Rolle in Bezug auf die As-Mobilität im Grundwasser spielen. Neben Fe-Mineralien ist der Einbau von As in Calcit potenziell ein wichtiger Prozess, der die Verteilung von As in Grundwasserleitern steuert. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Fe-Mineralien, hauptsächlich Fe-Oxide, und Calcit als Verblockungsmaterial im Umfeld von Brunnen auf die Arsenmobilität untersucht. Diese Minerale können als Sorptionsoberfläche wirken und die Verteilung von As zwischen der festen und der wässrigen Phase in einem Grundwasserleiter steuern. In Übereinstimmung mit CORNELL &amp; SCHWERTMANN (2003) sind in dieser Arbeit sind Goethit (α-FeOOH), Ferrihydrit (Fe3HO8*4H2O), Lepidocrocit (γ- FeOOH), Hämatit (α-Fe2O3), Grünrost (Fe(OH)3) zusammenfassend als Fe-Oxide bezeichnet. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die relativen Rollen von Verblockungsmaterial und Grundwasserentnahme zu untersuchen, die der As-Anreicherung und -Mobilität an drei Untersuchungsstandorten mit der heterogenen räumlichen Verteilung von As zugrunde liegen. Basierend auf umfangreichen Probenahmekampagnen im Rahmen der Dissertation von EICHE (2009) im Red River Delta (Vietnam), der Masterarbeit von SHTIRKIN (2013) in Südwestdeutschland und der Dissertation von NEIDHARDT (2012) im Bengal Delta Plain (Indien) werden statistische und reaktive Transportmodellierungen durchgeführt. Alle Untersuchungsfälle basieren auf realen Daten. Für die ersten beiden Studien wird eine reaktive Transportmodellierung angewendet. Für die letztere Studie wird eine multivariate statistische Analyse verwendet. Das entwickelte Konzept ist auf Grundwasserentnahmeaktivitäten in Systemen wie Trinkwasserversorgung, Pump-and-Treat oder Aquifer Thermal Energy Storage übertragbar. Im ersten Teil wird der Einfluss von Calcit auf die As-Retention in einem fluvialen Grundwasserleiter in Vietnam quantifiziert. In Süd- und Südostasien ist bekannt, dass pleistozäne Grundwasserleiter wenig gelöstes As aufweisen. Die aktive Grundwasserentnahme zu Trinkwasserzwecken in dieser Region führt jedoch zu einer Migration von As-kontaminiertem Grundwasser aus einem Grundwasserleiter mit hohem As-Gehalt (High-As) in einen Grundwasserleiter mit niedrigen As-Konzentrationen (Low-As). Diese Studie untersucht As-Retentionen am Übergang vom holozänen in den pleistozänen Grundwasserleiter, erarbeitet Erklärungen für die beobachteten lateralen Veränderungen hydrogeochemischer Parameter, die durch intensive Grundwasserentnahme in Hanoi induziert werden, und identifiziert die Auswirkungen von Verblockungsmineralien auf die As-Verteilung im Grundwasserleiter. Im zweiten Teil der Studie werden die As-Anreicherungsprozesse am Verblockungsmaterial in der Nähe von Pumpbrunnen mittels reaktiver Transportmodellierung an einer Pump-and-Treat-Anlage in Südwestdeutschland untersucht. Die Verblockung von Brunnen ist ein weit verbreitetes Problem in Grundwasserleitern mit heterogenen hydrogeochemischen Bedingungen. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen physikalischen und hydrogeochemischen Prozessen bei der Grundwasserentnahme noch nicht umfassend erforscht. Ein reaktiver Transportmodellierungsansatz wird verwendet, um den Einfluss alternierender Extraktionsraten nahe der Redoxgrenze auf die Ausfällung von Fe-Mineralien aufzuklären. Die Ergebnisse der reaktiven Transportsimulationen beschreiben die räumliche und zeitliche Entwicklung der Redoxzonierung. Aufgrund der Variation der Extraktionsraten zeigt das Modell eine Zunahme der Menge an Verblockungsmaterial, insbesondere von Fe-Mineralien, die als Adsorptionsflächen für gelöstes As dienen. Nach diesen Untersuchungen resultiert die As-Mobilisierung aus der kombinierten Wirkung von Auflösung des Verblockungsmaterials und Desorption von As aufgrund von Konkurrenzprozessen um Sorptionsplätze, insbesondere mit HCO3- und PO43-. Im dritten Teil der Studie werden multivariate statistische Analysen verwendet, um hydrochemische Daten aus dem Bengal Delta Plain (Indien) auszuwerten. So werden Zusammenhänge zwischen chemischen und physikalischen Parametern identifiziert und Prozesse abgeleitet, die die As-Verteilung im Grundwasser steuern. Eine Untersuchung von 174 Brunnen, die von NEIDHARDT (2012) durchgeführt wurde, zeigt, dass 130 davon mehr als 0,13 µmol/L As enthalten. Unter Verwendung der multivariaten statistischen Methoden werden in der vorliegenden Arbeit sechzehn physikalisch-chemische Parameter analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation zwischen dem Alter der Brunnen und den gelösten As-Konzentrationen. In Übereinstimmung mit den beiden ersten Studien zeigt die Korrelation, dass die Minerale, die zu Brunnenverblockungen führen, als Anreicherungsoberfläche für As in Frage kommen. Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Kontamination zu einem regionalen Problem macht, ist die Grundwassertemperatur. Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle bei der Löslichkeit von Mineralien, Reaktionskinetik, Redox- und Sorptionsprozessen. Im Gegensatz zu Europa, wo die mittleren Temperaturen in einem Aquifer zwischen 10 °C und 15 °C variieren, liegt die Durchschnittstemperatur im Untersuchungsgebiet bei 26,4 °C. Aufgrund des großen Unterschieds sollte die Grundwassertemperatur als Faktor betrachtet werden, der die As-Kontamination zu einem regionalen Problem macht. Hier kann die Nutzung von Geothermieanlagen, die in Europa ein wachsendes Interesse erfährt, die As-Kontamination auch für Europa zum Problem machen. Diese Dissertation leistet den wesentlichen Beitrag zum Verständnis der heterogene As-Verteilung in einem Grundwasserleiter durch die As-Anreicherung auf Verblockungsmaterial. Die Rückhaltevermögen von Calcit wurden lange Zeit stark unterschätzt. Viele Theorien wurden veröffentlicht, um die As-Verteilung im Grundwasser zu erklären. Alle diese Theorien beobachteten primär jedoch nur hydrogeochemische Prozesse als Schlüsselfaktoren, die die As-Mobilität steuern. Neben den Auswirkungen hydrogeochemischer Reaktionen haben auch mikrobiologische und die Vermischungsprozesse einen Einfluss auf die As-Mobilität im Grundwasser. Diese Doktorarbeit stellt einen Ansatz vor, der laterale durch Extraktions- und Infiltrationsaktivitäten induzierte Grundwasserbewegungen berücksichtigt und die Auswirkungen auf die As-Anreicherungsprozesse in der Nähe von Extraktionsbrunnen untersucht. Die Arbeit thematisiert erstmals auch die Temperatur als einen wichtigen Faktor, der die As-Thematik regionalisiert.