Denitrifikation im Grundwasser - Niedersachsen...Denitrifikation im Grundwasser Institut für Bodenkunde Denitrifikation im Grundwasser: Stoffumsätze ‐Fallstudie Fuhrberger Feld

Institut für BodenkundeDenitrifikation im Grundwasser

Denitrifikation im GrundwasserDenitrifikation im GrundwasserVoraussetzungen, Stoffumsätze, Nachhaltigkeit

‐ grundlegende Forschung in Niedersachsen in den `80er und `90er Jahren ‐

Prof. Dr. Jürgen BöttcherInstitut für Bodenkunde

Leibniz Universität Hannover

1


Vereinfachter N‐Kreislauf

N2

sphäre

Atmos

Norg

er

NHoden

dwasse

NH4

NO3

BoGrun

2

NO3


Denitrifikation im Grundwasser: Voraussetzungen

Verfrachtung von Nitrat ins Grundwasser: Sickerwasserbildung

Durchschnittlicher Wasserhaushalt eines ebenen Standorts

(Klima: Großraum Hannover, Boden: sandig Acker)Boden: sandig, Acker)

3



Verfrachtung von Nitrat ins Grundwasser: Sickerwasserbildung

Ackerstandorte im Raum Hannover

Löss‐ und 120 ‐ 150 mm pro JahrLehmböden 120 150 mm pro Jahr

Sandböden 200 ‐ 250 mm pro Jahr

4nach Renger et al. (1986)



Mittlere nutzungsabhängige Nitratkonzentration im Sickerwasserdb d h b ldSandböden im Fuhrberger Feld

5nach Ringe et al. (2003), Strebel & Böttcher (1989) und Strebel et al. (1993)



und Mischungseffekt der Förderung

Grundwasserströmungin einem porösen Aquifer Q

n

CNAGWN

n

jjj

jjNOjj

NO

NAGWN

CNAGWNC

1

1,3

3

6

Mischungsrechnung nach Böttcher und Strebel (1985)



Nitrat‐Mischkonzentration im Rohwasser eines FörderbrunnensFlächenanteil Acker 0 ‐ 100 % / Flächenanteil Kiefernforst 100 ‐ 0 %

(alles Sandböden)

Grenzwert TVOGrenzwert TVO

7




Nitrat‐Mischkonzentration im Rohwasser eines Förderbrunnensl h l k / l h l f fFlächenanteil Acker 0 ‐ 100 % / Flächenanteil Kiefernforst 100 ‐ 0 %

Fazit: In Grund‐ bzw. Rohwässern der Lockergesteinsgebiete

Grenzwert TVO

Fazit: In Grund bzw. Rohwässern der Lockergesteinsgebiete Norddeutschlands ist überwiegend mit Nitratkonzen‐trationen über dem Grenzwert der TVO zu rechnen!Grenzwert TVO

8



Denitrifikation im Grundwasser: Stoffumsätze

Nitratkonzentrationen in Grundwässern hydrostratigraphischer Einheiten

9aus Kunkel et al. (2002)



Nitratkonzentrationen in Grundwässern hydrostratigraphischer Einheiten




Sulfatkonzentrationen in Grundwässern hydrostratigraphischer Einheiten




Nitrat‐/Sulfatkonzentrationen in Grundwässern hydrostratigraphischer Einheiten

F i b i i d i Ni k iFazit: verbreitet unerwartet niedrige Nitratkonzentrationenund „unnatürlich“ hohe Sulfatkonzentrationen Nitratverbrauch / Sulfatbildung im Grundwasser Nitratverbrauch / Sulfatbildung im Grundwasser

NitratSulfat



Denitrifikation im Grundwasser: Stoffumsätze ‐ Fallstudie Fuhrberger Feld

Näh B h Ni bb d S lf bild iNähere Betrachtungen zu Nitratabbau und Sulfatbildung im Grundwasser am Beispiel der

Fallstudie Fuhrberger FeldFallstudie Fuhrberger Feld

b A f d 1980 J hbegonnen Anfang der 1980er Jahre

13



Der Anlass

300

Stoffkonzentrationen im Rohwasser von Br. 1, WW Fuhrberg-1] 250

300Critical Limit for Sulfatein Drinking water ?

on [

mg

L-

150

200 Sulfate

once

ntra

ti

100

150

?C iti l Li it f Nit tCo

0

50Nitrate

?Critical Limit for Nitratein Drinking Water

14Year1960 1970 1980 1990 20000



Die Initiatoren

Dr Walter Kölle Dr. Otto StrebelDr. Walter KölleStadtwerke Hannover AG

Dr. Otto Strebel† 2003

Bundesanstalt fürGeowissenschaften und Rohstoffe

Hannover15



Wo?

Jungmoränen-landschaft

Altmoränen-landschaft

FuhrbergerFeld

Löß-landschaften

Berg- undHügelländer

16

Karte: BGR, Hannover



M ltil l

Vertikalschnitt (Süd ‐ Nord) durch den Aquifer

ca 100fach überhöht

40

Multilevel-Messstellen Förder-

brunnen 1

ca. 100fach überhöht

40

30GW-St30

20r NN

(m

)

Stromlinien

20

10

Höh

e üb

e

10

Kreidezeitliche Tonsteine

17

0

0 3000 6000


Distanz (m)



M ltil l

Vertikalschnitt (Süd ‐ Nord) durch den Aquifer

ca 100fach überhöht

40


brunnen 1

ca. 100fach überhöht

40

30GW-St

Ideales Untersuchungsgebiet:30

20r NN

(m

)

Stromlinien• Böden und Aquifer typisch für weite Gebiete Norddeutschlands

20

10

Höh

e üb

e • gut getrennte Bereiche einheitlicher Nutzung (Forst, Acker)

• umfangreiche Vorarbeiten zu Bodenwasserhaushalt, Stoffauswaschung 10


g , g

18

0

0 3000 6000


Distanz (m)



Typische NO3‐ und SO4‐Tiefenfunktionen (Messstelle N 10 in Ackerumgebung)

NO3-Konzentration (mg L-1)

0 50 100 150 2000

SO4-Konzentration (mg L-1)

0 100 200 300 4000

(Messstelle N 10, in Ackerumgebung)

Nitrat

4

-2

0Sulfat

4

-2

0

OF

(m)

8

-6

-4

8

-6

-4

ser

bereich

Tief

e un

ter G

O

12

-10

-8

12

-10

-8

Ackerw

ass

wartungsb

T

16

-14

-125-83 11-837-8411-843-87

-16

-14

-12A Er

19-18

-16 11-886-91

-18

-16

nach Strebel et al. (1993), verändert



Typische NO3‐ und SO4‐Tiefenfunktionen (Messstelle in Ackerumgebung)

NO3-Konzentration (mg L-1)

0 50 100 150 2000

SO4-Konzentration (mg L-1)

0 100 200 300 4000

(Messstelle in Ackerumgebung)

schematisiertNitrat

4

-2

0Sulfat

4

-2

0

NO3 (mg L-1)

0 20 40 60 80 100 1200

SO4 (mg L-1)

0 50 100 150 200 250

schematisiert

OF

(m)

8

-6

-4

8

-6

-4

ser -8

-6

-4

-2

0

Tief

e un

ter G

O

12

-10

-8

12

-10

-8

Ackerw

ass

-18

-16

-14

-12

-10nitrate sulfate

T

16

-14

-125-83 11-837-8411-843-87

-16

-14

-12A 18

Denitrifikation

20-18

-16 11-886-91

-18

-16

nach Strebel et al. (1993), verändert



Denitrifikation mit reduzierten Schwefelverbindungen (Sulfide)

N (N O)2

Stöchiometrie:

N O3NitratO2H2Fe52

4SO102N7H43NO142FeS5

Fe S2Sulfide

Thiobacillus denitrificans

Faktor NO3 SO4 : 1.1

Fe2+ SO42-

Thiobacillus denitrificans

21

nach Kölle et al. (1983)



Sulfat-Bildungsvermögen Sulfat-Bildungsvermögen

Bohrung P 878

Sulfat-Bildungsvermögen(kg SO4 m

-3)

0 1 2 30

Bohrung N 12


-3)

0 1 2 30

Sulfatbildungsvermögen des Sedimentmaterials

= umsetzbare Sulfide Bohrung P 878(Waldumgebung)

-5

Bohrung N 12(Ackerumgebung)

-5

= umsetzbare Sulfide

Voraussetzung für die Denitrifikation

(m)

-10 -10

Tief

e (

-15 -15

-20 -20

22-25 -25

nach Kölle et al. (1985, 1990), verändert




Bohrung P 878


-3)

0 1 2 30

Bohrung N 12


-3)

0 1 2 30



-5


-5



(m)

-10 -10

Tief

e (

-15 -15

-20 -20Unterschiede in größerer Tiefe beruhen auf „normaler“ räumlicher Heterogenität

23-25 -25





Bohrung P 878


-3)

0 1 2 30

Bohrung N 12


-3)

0 1 2 30



-5


-5



(m)

-10 -10Oberflächennahe Unterschiede deuten auf Verbrauch der

Ä

Tief

e (

-15 -15

Sulfide durch Nitrat aus Äckern hin!

-20 -20Unterschiede in größerer Tiefe beruhen auf „normaler“ räumlicher Heterogenität.

24-25 -25




Sulfat-Bildungsvermögen(k SO -3)

Sulfat-Bildungsvermögen(k SO -3)

Multilevel-

Bohrung P 878(Waldumgebung)

(kg SO4 m-3)

0 1 2 30


(kg SO4 m-3)

0 1 2 30

40

Messstellen Förder-brunnen 1

(Waldumgebung)

-5

(Ackerumgebung)

-5

30GW-Strom

(m)

-10 -10

20ber N

N (

m) omlinien

wichtig:Graphik „horizontal“

Tief

e

-15 -15

10

Höh

e üb

pinterpretieren,nicht „vertikal“!

-20 -20

0Kreidezeitliche Tonsteine schematische Projektion,

d ß t b h-25 -25

0

0 3000 6000

Distanz (m) 25

werder maßstabs‐ nochstandortgerecht


Denitrifikation im Grundwasser: Nachhaltigkeit

Aspekte zur Nachhaltigkeit der Denitrifikation:

• Aufbrauch des Sulfidvorrats

• Bedeutung der Denitrifikation mit Kohlenstoffverbindungeng g

• Freisetzung von Schadstoffen

26



Aufbrauch des Sulfidvorrats: Modellrechnungen für eine 1d‐Stromröhre


brunnen 1

40

30GW-St30

20ber N

N (

m)

Stromlinien

10

Höh

e üb

0Kreidezeitliche Tonsteine

27

0 3000 6000

Distanz (m)schematische Projektion, nicht maßstabsgerecht




nach 20 Jahren250

nach 220 Jahren

on

200

250

onze

ntra

tio

100

150

Sulfid-S (g m-3)

Ko

50

(g )SO4 (mg L-1)

NO3 (mg L-1)

Abstand (m)

0 500 1000 1500 2000 25000

Abstand (m)

0 500 1000 1500 2000 2500

28aus Böttcher et al. (1989), verändert




nach 20 Jahren250

nach 220 Jahren

on

200

250Die Modellrechnungen zeigen:

• Der Sulfidvorrat wird im Zuge der Denitrifikation aufgebraucht

onze

ntra

tio

100

150

Sulfid-S (g m-3)

Der Sulfidvorrat wird im Zuge der Denitrifikation aufgebraucht

• für die vereinfachte Stromröhre dauert der Nitratdurchbruch > 200 Jahre

Ko

50

(g )SO4 (mg L-1)

NO3 (mg L-1)• Befund steht im Einklang mit Gebietsmodellierungen von Duynisveld et al. (1993)

Abstand (m)

0 500 1000 1500 2000 25000

Abstand (m)

0 500 1000 1500 2000 2500

29aus Böttcher et al. (1989), verändert



Bedeutung der Denitrifikation mit Kohlenstoffverbindungen (Corg)

In pleistozänen Grundwasserleitern sind (fast) immer feste und gelösteIn pleistozänen Grundwasserleitern sind (fast) immer feste und gelöste organische Kohlenstoffverbindungen vorhanden, aber in niedrigen Konzentrationen (0.1 ‐ 1 Gew. % Corg in Fuhrberg).

• Denitrifikation mit Corg ist aus Oberböden gut bekannt

• 5 CH O + 4 NO ‐ 2 N + 4 HCO ‐ + CO + 3 H O (nach Rivett et al 2008)• 5 CH2O + 4 NO3 2 N2 + 4 HCO3 + CO2 + 3 H2O (nach Rivett et al. 2008)

• puffert H+‐Ionen, hebt also den pH‐Wert, wegen HCO3‐‐Bildung3

30




kein Trend zu Faktoren <

NO3 (mg L-1)

0 100 200

SO4 (mg L-1)

0 100 200 300 400

K (mg L-1)

0 20 40

Denitrifikation mit Corgunbedeutend

Nitrat

0 100 200

) -4

-2Sulfat

0 100 200 300 400

-4

-2Kalium

0 20 40

-4

-2(NO3 + SO4)/K

0 5 10 15 20

) -4

-2

Tief

e u.

GO

F (m

-6 -6 -6

5/83 iefe

u. G

OF

(m)

-6

T

-10

-8

-10

-8

-10

-811/837/8411/843/8711/88

Ti-10

-8

Faktor

31Fallstudie Fuhrberger Feld, Messstelle N10, Denitrifikation mit Sulfiden in ca. 5 – 7 m Tiefe




NO3 (mg L-1)

0 100 200

SO4 (mg L-1)

0 100 200 300 400

K (mg L-1)

0 20 40

Anhand der Felddaten (in situ) der Fallstudie Fuhrberger Feld ist festzustellen:

• Der Denitrifikation mit Corg kommt offensichtlich keine große Bedeutung zuNitrat

0 100 200

) -4

-2Sulfat

0 100 200 300 400

-4

-2Kalium

0 20 40

-4

-2(NO3 + SO4)/K

0 5 10 15 20

) -4

-2Der Denitrifikation mit Corg kommt offensichtlich keine große Bedeutung zu

• auch an nicht vorhandener pH‐Erhöhung (keine Abb.) zu erkennen

Tief

e u.

GO

F (m

-6 -6 -6

5/83 iefe

u. G

OF

(m)

-6• Befund steht im Einklang mit Literatur (Rivett et al. 2008)

T

-10

-8

-10

-8

-10

-811/837/8411/843/8711/88

Ti-10

-8

Faktor

• ein Ersatz des Nitratabbaus nach Sulfidaufbrauch durch Corg‐Denitrifikation ist daher nicht wahrscheinlich

32Messstelle N10 im FF, Denitrifikation mit Sulfid in ca. 5 – 7 m Tiefe• Ausnahmen an Sonderstandorten (z.B. in Flussauen) sind denkbar



Freisetzung von Schadstoffen

‐ klimarelevantes Spurengas N2O

33





obligatorisches Zwischenprodukt bei der Reduktion von NO3 zu N2:

N(V+)O3‐ N(III+)O2

‐ N(II+)O 0,5 N2(I+)O 0,5 N2

(0)

g p 3 2

Gefahr der N2O‐Entgasung

Treibhauspotential CO2 : N2O2 2gleich 1 : ca. 270 !!

üb di N O P bl ik b i h D R W ll i A hl !

34

über die N2O‐Problematik berichtet Dr. R. Well im Anschluss!





‐ Schwermetalle

Schwermetalle sind als Beimengungen in vielen geogenen Sulfiden enthalten.

35



Freisetzung von Schadstoffen: Schwermetalle mittlere Konzentrationim Sickerwasser

Denitrifikationszone

SO4‐Reduktionsszone

36aus Strebel et al. (1993)Arsen ist kein SM! Es wird trotzdem mit aufgeführt.



Freisetzung von Schadstoffen: Schwermetalle

Anhand der Felddaten (in situ) der Fallstudie Fuhrberger Feld ist festzustellen:• Bei der Denitrifikation mit Sulfiden werden darin enthaltene Schwermetalle freigesetzt

• Da das System „Grundwasserleiter“ meist eine tiefere, stark reduzierende Zone hat, werden Schwermetalle dort festgelegt (z.T. als neu gebildete Sulfide)Sulfide)

• Die beiden gegenläufigen Prozesse führen dazu, dass im Brunnen‐Rohwasser keine erhöhten Schwermetallkonzentrationen festzustellen warenkeine erhöhten Schwermetallkonzentrationen festzustellen waren

• Bei weiterem Vordringen der Denitrifikationszone in die Tiefe (durch Verlust d S lfid i b i h) d b h d k d i d

37aus Strebel et al. (1993)

des Sulfidvorrats im oberen Bereich) und Abnahme der stark reduzierenden Zone können erhöhte Schwermetallkonzentrationen im Brunnen‐Rohwasser die Folge sein



Fazit Nachhaltigkeit

Die Denitrifikation im Grundwasser ist nicht nachhaltig, weil sie

• die endlichen Vorräte an Sulfiden verbraucht,

• die Grundwasserqualität ungünstig beeinflusst (Sulfathärte)die Grundwasserqualität ungünstig beeinflusst (Sulfathärte),

• und mit der Freisetzung von Schadstoffen verbunden ist.

Unbestreitbar schafft sie aber zeitweise Erleichterung in der h l d bl kschwierig zu lösenden Nitratproblematik.

38


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Geduld!Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Geduld!

39


Denitrifikation im Grundwasser

Literaturverzeichnis

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