Grundwassermonitoring und-probenahme

Seddin, 21.11.2014

Einsatz isotopenhydrologischer Untersuchungsmethoden in Bergbauregionen

Abbaurichtung

Wasserabsenkung

Aufforstung

Begrünung

Kohleflöz

Abraum

Wasseranstieg

Christina Jeschke, Department Catchment Hydrology

Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ- Halle (Saale)

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Prinzip

Beispiel: mikrobielle Isotopenfraktionierung im Schwefel-Kreislauf

Page 2

d34S d18O d34S

O H 2 2 CO S H H 2 SO O CH 2 2 2 2

2 4 2

+ + + + + -

+

d34S = initial

Sulfat-Pool

34S

34S 34S

34S 32S 32S

32S

32S 32S

34S

32S

32S

34S 34S

d34S > initial

„Rest“-Sulfat

34S

34S 34S

34S

32S

32S

34S

32S

32S

34S 34S

34S

34S

d34S < initial

Sulfid

34S

34S

34S 32S 32S

32S 32S

32S

32S

32S

34S

32S 32S

32S

32S

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ15N-Werte (am gelösten Ammonium)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 3

Grundwasser

Kippensediment

Kjehldahl Aufschluss

Probenahme:

Sediment unter

Argonatmosphäre

verpackt, gekühlt

transportiert und bei

-20°C gelagert

Wasser mit konz.

Schwefelsäure

stabilisiert

Im Labor:

Aufarbeitung zu

Ammoniumsulfat

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

-15

-10

-5

0

5

10

0 2 4 6 8

δ1

5N

/NH

4 ‰

(A

IR)

Ammonium [mg/L]

0

10

20

30

40

50

-5 0 5 10

Tief

e [

m]

δ15N/NH4 ‰ (AIR)

δ15N-Werte (am gelösten Ammonium)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 4

Grundwasser

Sediment

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ15N- und δ18O-Werte (am gelösten Nitrat)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 5

Grundwasser

2 ml je Messlauf

Gasbench

Probenahme:

Wasser durch eine

0,2 µm Membran

filtriert

Im Labor:

Bakterielle

Umsetzung zu

Lachgas

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ15N- und δ18O-Werte (am gelösten Nitrat)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 6

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20

δ1

5N

/NH

4 ‰

(A

IR)

15N/Nitrat ‰ (AIR)

26.07.2011 18.10.20110

10

20

30

40

0 5 10 15 20

δ1

8O

/Nit

rat

‰ (

VSM

OW

)

δ15N/Nitrat ‰ (AIR)

26.07.2011 18.10.2011

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ34S- und δ18O-Werte (am gelösten Sulfat)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 7

Probenahme:

Wasser mit

Zink-Acetat

stabilisieren

Sediment unter

Argonatmosphäre

verpackt, gekühlt

transportiert,

gefriertrocknen

möglich

Im Labor:

Aufarbeitung zu

Bariumsulfat

1 L 0,5 mg

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ34S- und δ18O-Werte (am gelösten Sulfat)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 8

-5

0

5

10

15

-10 -5 0 5 10

δ18O

/Su

lfat

‰ (

VS

MO

W)

δ34S/Sulfat ‰ (CDT)

Sulfatreduktion im aktiven Tagebau

Abraumfläche seit 1994

Abraumfläche seit 2006

Beispiel für räumliche und

zeitliche Verteilung:

Ältere Kippenflächen zeigen

einen signifikanten

Vorschritt der

Sulfatreduktion

Jüngere Flächen zeigen

keinen Beweis für

mikrobielle

Isotopenfraktionierung

am Sulfat

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ13C- und δ18O-Werte (am gelösten Kohlenstoff DIC/DOC)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 9

Probenahme:

Ausfällung mit

Bariumhydroxid

(500 ml Probe) oder

Bestimmung der

Säurekapazität

(2 ml Probe)

Im Labor:

Ausfällung unter

Stickstoffstrom oder

einsetzen in

GasBench

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

-26

-24

-22

-20

-18

0 50 100 150

δ1

3C

/TIC

‰ (

PD

B)

TIC mg/L

δ13C- und δ18O-Werte (am gelösten Kohlenstoff)

Abbau- und Rückhalteprozesse

Page 10

Kohlenstoff stammt aus

mikrobieller Aktivität

Trotz starker Schwankungen

in der TIC Konzentration,

wenig Variabilität in der

Isotopensignatur

Einfluss anderer

Kohlenstoffquellen wird

sichtbar

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Probenahme:

Geringe Probemenge

(20 ml),

Filtration 0,45 µm

Wasser aus den

GWMS zeigen

geringe Abweichung

von der „Global

Meteoric Water Line“

Typische

Grundwassersignatur

in GWMS vs.

Oberflächen-

beeinflussung

δ2H- und δ18O-Werte (am Wasser)

Herkunft und Alter des Grundwassers

Page 11

-80

-70

-60

-50

-10 -9,5 -9 -8,5 -8

δ2H

/H2O

‰ (

VSM

OW

)

δ18O/H2O ‰ (VSMOW)

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ14C- Werte (am gelösten Kohlenstoff TIC)

Herkunft und Alter des Grundwassers

Page 12

Probenahme:

2 x 50-60 L Fässer

Im Labor:

Extrahieren von

Kohlendioxid

Ergebnis beeinflusst

durch Umsetzungs-

und Stofffreisetzungs-

prozesse

0

20

40

60

80

0 2 4 6 8 10

14C

DIC

[p

MC

]

Tritium [TU]

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

δ3H- Werte und δ3He-Werte (am Wasser)

Herkunft und Alter des Grundwassers

Page 13

Probenahme:

1 L Glasflasche (δ3H)

bzw. Kupferrohr

(δ3He) gasfrei befüllen

Im Labor:

Reinigung und

Elektrolyse (δ3H)

Flüssig-

Szintillation-

Spektrometer

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Herkunft und Alters-Charakterisierung im

Vergleich zu Abbau und Rückhalteprozessen

Page 14

Stetige Freisetzung

von Ammonium

Je mehr huminhaltige

Stoffe nachgeliefert

werden, desto mehr

wird die Aktivität der

Sulfatreduktion

unterstützt.

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Equipment

Seite 15

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Equipment

Seite 16

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Equipment

Seite 17

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Messtellen in einer Bergbauregion

Seite 18

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Messstellen in einer Bergbauregion

Seite 19

Einsatz isotopenhydrologischer Untersuchungsmethoden in Bergbauregionen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Besonders an die Projektleiter, Kollegen, Techniker und Supervisors

Grundwassermonitoring und-probenahme

Seddin, 21.11.2014

Christina Jeschke, Department Catchment Hydrology

Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ- Halle (Saale)

4138 4537 4538 4539 7277 7278

26.07.

2011

-23,9 -22,5 -22,2 -21,3 -22,8 -22,1 δ13C

DOC

[‰]

(PDB) 18.10.

2011

-23,7 -20,9 -20,0 -19,5 -25,3 -20,1

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

Approach (Part I)

Support the process of the bacterial sulfate reduction by addition of

reactive substrates

Page 22

In batch experiments:

mix of dump sediment

with

acid or neutralized water

and

carbokalk or coal ash sludge or

paper mill reject

Incubation for 2 month in a

closed system

Dump sediment

Dump water

Reactive material

Prinzip // Methoden // Möglichkeiten

-25

-15

-5

5

start end

δ13C

/TIC

‰ (

PD

B)

carbokalkcoal ash sludgepaper mill rejectreactive solidmaterialoriginal water

Results Fixation of sulfide with reactive material

Page 23

Conversion to sulfide and possible

deposition of pyrite in the sediment

Depletion of 13C in inorganic carbon

indicates also bacterial sulfate reduction

particularly of paper mill reject

Problem // Tools // Results // Summary

Summary

Nature has the basic capability to heal itself

Technical enhancements, i.e. using reactive substances and creating

reactive zones, may help make the respective biogeochemical

processes more efficient

Page 24

Problem // Tools I // Fixation of sulfate with reactive material // Tools II // Conversion of ammonium in reactive zones // Summary

Page 25

0

20

40

60

80

100

20.09.10 04.10.10 02.12.10

MP

N (

cell/

ml)

date

MPL 3/ pH7

MPL 11/ pH7

MPL 3/ pH3

MPL 11/ pH3

Results: Identification of sulfate

reduction bacteria

Approach: Support the process of the

bacterial sulfate reduction by

addition of reactive

substrates