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Nitrat, Sulfat, Uran –
ist das Grundwasser
Arbeitsgruppe Uran LUNG Vortrag: Dr. Beate Schwerdtfeger
Regionalberatung, Februar 2015
ist das Grundwasser
in Gefahr?
VeranlassungNitrat im Oberflächengewässer
Nitrat ist eine chemische Verbindung, die sowohl mit festen als auch mit gelösten Komponenten im
NO3-
Regionalberatung, Februar 2015 2
Nge
st/a
Wie sind Grundwasserleiter aufgebaut?
Komponenten im Grundwasserleiter reagiert.
Güstrow
Pommersche Hauptrandlage
Lübz100
50
100
50
N S
Aufbau des Untergrundes
Grundlagen
Unser Untergrund besteht hauptsächlich aus einer Wechsellagerung aus Sand und Lehm.
© LUNG 2000
Rostock
Jungmoränen
Altmoränen
Altmoränen
50
0
-50
-100
-150
-200
50
0
-50
-100
-150
-200
Ältere Gesteine
3Regionalberatung, Februar 2015
Geschiebemergel ist das Sediment, das direkt vom Gletscher an seiner Basis abgelagert wird.
Geschiebemergel
Grundlagen
Er enthält alle Korngrößenklassen von Ton über Schluff, Sand, Kies und Steinen (Geschiebe) bis hin zu Findlingen.
Seine Zusammensetzung zeigt das gesamte Spektrum der skandinavischen und heimischen älteren, zumeist kristallinen Gesteine.
4
Er wirkt meistens als Trennschicht zwischen Grundwasserstockwerken.
Regionalberatung, Februar 2015
Granite enthalten in erster Linie Feldspat, Quarz und Glimmer …
GrundlagenFeststoffquellen
… aber auch Pyrit…
FeS2
…und eben auch Uran.
5
Sowohl die Böden als auch die Grundwasserleiter enthalten gelösten organischen Kohlenstoff
Corg
…und eben auch Uran.
Regionalberatung, Februar 2015
Autotrophe Denitrifikation
= Nitrat-Umwandlung unter Mitwirkung von natürlichen feinverteilten Gesteinsbestandteilen wie Pyrit.
Reaktionsgleichung
Nitrat-Abbau
Pyrit (FeS2) ist ein Eisensulfid, das auch als Schwefelkies oder Katzengold bekannt ist.
14 NO3- + 5 FeS2 + 4 H+ ���� 7 N2 + 10 SO4
2- + 5 Fe2+ + 2 H2O (KÖLLE 1983)
Reaktion im Grundwasser:Abbildung aus Wikipedia 2012
6Regionalberatung, Februar 2015
Schichtung des GrundwassersEntstehung der Redoxfront
Wald Acker GrünlandNitrateintrag
Oxidierend / O2(aq) / Nitrat-haltig/ niedrige Eisen konzentrationen(aq)
Redoxpotentiale / E H-Werte : > ca. + 250 mV (bis ca. 600 mV)
kein C -org, kein Pyrit
Die Lage der Redoxgrenzezeigt an, bis in welche Tiefenlage das Denitrifikations-
7
kein C -org, kein Pyrit
Reduzierend
anaerob / Nitrat-frei
höhere Eisenkonzentrationen(aq), C-org-haltig,
Pyrit, E H-Werte : < ca. + 100 mV (bis ca. – 100 mV)
reduzierte ZoneKein Nitrat im GW, Nitrat-abbauvermögen noch vorhanden
oxidierte Zonenitratbelastetes GWKein Nitratabbauvermögen
Denitrifikations-vermögen bereits aufgebraucht ist.
Redoxgrenze
Regionalberatung, Februar 2015
Nitrat
Das neu gebildete Sulfat wird mit dem Grundwasser-abstrom weiter
Anstieg und Transport des Sulfats
8
Sulfat
© LUNG 2012
N2
abstrom weiter verfrachtet und gelangt so in die Förderbrunnen.
Regionalberatung, Februar 2015
Sulfat-Anstieg in Förderbrunnen
200
250
300
WF Ortkrug - Rohwasseranalysen Chlorid SulfatNitrat
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
9
0
50
100
150
mg/
l
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
Regionalberatung, Februar 2015
Sulfat - Medianwerte
Die Auswertung
sämtlicher im Archiv
des LUNG MV
verfügbaren
Sulfatwerte aus
Entwicklung der Sulfatgehalte in M -V
100
150
10
Sulfatwerte aus
Grundwasser
zeigt einen
ständigen,
langsamen Anstieg
des Medianwertes.0
50
bis 1960 1961-70 1971-80 1981-90 1991-00 2001-10
Regionalberatung, Februar 2015
Welche Rolle spielt das Uran?Untersuchungen im Grundwasser
0
10
20
0 20 40 60
mitt
lere
Filt
ertie
fe u
nter
Gel
ände
maximale Uran-Gehalte in den Landesmessstellen M-V 2007-2011 [µg/l]
Tiefenabhängigkeit
50
60
70
max
imal
e U
rang
ehal
te [
µg/l]
maximale Uran-Gehalte in den Landesmessstellen M-V 2007-2011 [µg/l]
Redoxabhängigkeit
Hausbrunnen
11
20
30
40
50
60
70
80
90
100
mitt
lere
Filt
ertie
fe u
nter
Gel
ände
0
10
20
30
40
-100 0 100 200 300 400 500 600 700
max
imal
e U
rang
ehal
te [
µg/l]
Redoxpotential [mV]
Wasserwerksbrunnen
Regionalberatung, Februar 2015
Modellrechnung
Kooperation mit der TU Clausthal:
Hydrogeochemisches 3D-Stofftransportmodell:
Erste, vorläufige, rein gene-rische Modellierung der
Modell-Annahmen:
�Stoffdepot mit Uranphasen (ca. 1 mg U/kg Feststoff)
�Stoffdepot ist geogen
12
rische Modellierung der
• Mobilisation/
•Demobilisation/
•Remobilisation
von Uran (roll front )
�Stoffdepot ist geogen (Uraninit; UO 2(c); U(IV) + ??)
�Sicher nicht zu 100% im Grundwasser mobilisierbar (Ansatz: ≤ 10 %)
Regionalberatung, Februar 2015
Wald Acker GrünlandNitrateintrag
2 NO -(aq) + 5 UO (s; Uraninit ) + 12 H+(aq) = 5 UO +2(aq) + 1 N (aq/g) + 6 H O
Roll front:Mobilisation/Demobilisation/Remobilisationvon Uran bei der Redoxkonversion
13
2 NO3-(aq) + 5 UO2(s; Uraninit ) + 12 H+(aq) = 5 UO2
+2(aq) + 1 N2(aq/g) + 6 H2O
5 UO2(s; amorph ) + 2 NO3-(aq) + 12 H+(aq) = 5 UO2
+2(aq) + 1 N2(aq/g) + 6 H2O
5 UO2+2(aq) + 2,5 CH2O(s) + 5 H2O = 5 UO2(s; amorph ) + 2,5 HCO3
- + 12,5 H+(aq)
Lokal und zeitlich begrenzt können Werte bis zu mehrer en 100 µg/l auftreten!
Regionalberatung, Februar 2015
Grundwassersondierung
Tiefenabhängige Probenahme Screen Point SamplerScreen Point Sampler
14Regionalberatung, Februar 2015
GrundwassersondierungSchwerin Süd
0,501,002,00
5,00
6,00
9,00
11,00
4,84
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-50 0 50 100 150
Redoxpotential Nitrat [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 50 100 150 200 250
Uran [µg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 10 20 30
Sulfat [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
100 150 200 250 300 350
15
23,00
26,00
30,00
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
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28
29
30
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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24
25
26
27
28
29
30
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Regionalberatung, Februar 2015
8,30
1
2
3
4
5
6
7
8
-200 -150 -100 -50 0 50
Redoxpotential [mV]
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30
Nitrat [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
50 100 150 200 250
Sulfat [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
-1 0 1 2 3 4 5
Uran [µg/l]
GWMS Tewswoos
GrundwassersondierungTewswoos
16
8,30
14,00
15,00
21,50
23,00
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
11,80
Regionalberatung, Februar 2015
qh0,35
qw23,00
qw27,50
qw214,00qp15,00
qp17,00
0,90
6,10
8,50
12,50
15,00
17,00
0
5
10
15
Hy BgnRn 24/1967GWMS Altenkirchen
Hy Aei 1/2012GWMS Altenkirchen
14,20 m NN 13,89 m NN
Ersatzneubau GWMS Altenkirchen (Dez. 2012)Änderung der Filterlage führt zu erhöhten Konzentrati onen
0
50
100
150
200
250
300
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
17
qp17,00qp18,00qp19,00
qp23,00
qp26,00
qp28,00
qp30,00
qp34,00qp35,00
qp37,20
qw143,00
17,00
19,0020
25
30
35
40
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
Ura
n µg
/l
2007
2009
2011
2013
<0,005 0,058 0,057 0,057 0,053 0,062 0,0550,080
Uran [µg/l]
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
Regionalberatung, Februar 2015
Schwerin Süd: andere Grenzwertüberschreitungen in der oxidierten Z one
0,501,002,00
5,00
6,00
9,00
11,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Uran [µg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 50 100 150 200 250 300
Nitrat [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0,5 1,0 1,5
Ammonium [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Nitrit [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
10 20 30 40 50
Kalium [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 10 20 30 40
Nickel [µg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
-5 0 5 10 15 20
Cobalt [µg/l]
Sondermessnetz Schwerin Süd 123 alt
2,94
4,84
18
23,00
26,00
30,00
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
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25
26
27
28
29
30
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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30
13
14
15
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13
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15
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17
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13
14
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18
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30
13
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16
17
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30
13
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15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Veränderungen nur an der Grundwasser-Oberfläche?
Regionalberatung, Februar 2015
0,501,201,502,402,703,303,604,004,604,905,005,356,307,608,108,709,90
10,3010,6012,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0 5 10 15 20
Uran [µg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0 10 20 30 40 50
Nitrat [mg/l]
1
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6
7
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9
10
11
12
13
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Ammonium [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Nitrit [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
10 20 30
Kalium [mg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0 10 20 30 40
Nickel [µg/l]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
-5 0 5 10
Cobalt [µg/l]
Kernbohrung Friedland Bauersheim
Friedland:andere Grenzwertüberschreitungen in der oxidierten Z one
19
17,40
18,20
21,00
24,60
26,70
27,50
30,00
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
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25
26
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28
29
30
13
14
15
16
17
18
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21
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13
14
15
16
17
18
19
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21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
13
14
15
16
17
18
19
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26
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30
13
14
15
16
17
18
19
20
21
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28
29
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13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Regionalberatung, Februar 2015
Urananreicherung
Urananreicherungbei ca. 4 m
Friedland: Feststoffuntersuchungen belegenseitlichen Zustrom des Grundwassers
20
bei 12 m
Urananreicherungbei 30 m
Regionalberatung, Februar 2015
Wie schnell zeigen sich Anstiege?
15
20
Nic
kel,
Ura
n [µ
g/l]
Friedland OP
40
60
Nic
kel,
Ura
n [µ
g/l]
57,259,3
49,2
44,5
50,0
45,9
Georgenthal
Uran Nickel
21
0
5
10
Nic
kel,
Ura
n [µ
g/l]
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
LUNG 450, gedruckt am 23.02.2015
0
20
40
Nic
kel,
Ura
n [µ
g/l]
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2,6
7,9
13,8
32,9
Regionalberatung, Februar 2015
Gegenwärtige Befundsituation im Grundwasser in MV
Haben wir nur lokale Probleme?
22
Messen wir an den richtigen Stellen?
Regionalberatung, Februar 2015
Grundwasseroberfläche
Ausfällung
Erdoberfläche
Messstellen Messstellen
Rücklösung
Uran im Grundwasser-Messnetz
Uran:
im Wasser gelöst
als Feststoff
23
Oxidierter Bereich
Reduzierter Bereich
Redoxfront
U < 10 µg/l
U < Nachweis-grenze
U < Nachweis-grenze Anreicherung
Rücklösung
U < 10 µg/l
U < Nachweis-grenze
U > 10 µg/l
Regionalberatung, Februar 2015
Tage-Monate
Jahre
Beeinträchtigung der Oberflächengewässerdurch Grundwasser mit kurzen Fließwegen (Interflow)
24
Jahrzehnte-Jahrhunderte
Jahrhunderte-Jahrtausende
Regionalberatung, Februar 2015
1,2 � 5,3
1,9 �6,3
1,7 �6,7
2,5 � 7,0
1,6 �5,0
FließgewässerUrangehalte im Golmer Mühlbach
� Jahresgang
� Redoxreaktion im Boden
� Pflanzenverfügbarkeit nicht gegeben
25
2,5 � 7,0
2,7 � 8,1
3,9 � 9,2
1,9 � 9,7
7,2 � 9,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Jan.2007 Jan.2008 Jan.2009 Jan.2010 Jan.2011 Jan.2012
Tollense Demmin
Ura
n [
µg
/l]
Regionalberatung, Februar 2015
Akkumulation des Uran in Seesedimentensteigender Trend der Uran-Gehalte
Datenquelle: Radioaktivitäts-überwachung des Landes (LUNG)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Schweriner See
Ura
n in
mg
/kg
26
(LUNG)
Entnahmestelle der Sedimentproben: Ufernähe
Seit vielen Jahren werden 12 Seen, die alle im Laufe der Jahre langsam steigende Urankonzentrationen zeigen, regelmäßig beprobt.
Zeit 1994 - 2013
n 882
MAX 1,99
MEDIAN 0,74
0,0
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Ura
n in
mg/
kg
Goldberger See
Regionalberatung, Februar 2015
Durch den Eintrag von Nitrat in unsere in der Eiszeit entstandenen Grundwasserleiter wird
� Sulfat gebildet,
� Uran gelöst und
� Nitrat abgebaut.
Zusammenfassung
27
� Nitrat abgebaut.
Diese Vorgänge sind nicht umkehrbar.
Durch die erhöhten Uran-Gehalte besonders betroffen sind die Hausbrunnen im ländlichen Raum aber auch die kleineren Fließgewässer.
Die steigenden Sulfat-Gehalte gefährden die Trinkwasserversorgung.
Regionalberatung, Februar 2015