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Im vorliegenden Forschungsbericht werden die Ergebnisse zum LFP Projekt „Ableitung validierter Probenahme- und Analysenmethoden für Zwischen- und Endprodukte der anaeroben Stoffverwertungsprozesse von LCKW im Grundwasser im Rahmen von Altlastenuntersuchungen“ (Länderfinanzierungsprogramm, Projekt B2/08, Laufzeit vom 01.09.2008 – 31.08.2009) zusammengefasst. Es werden verschiedene Verfahren der Probenahme und Analytik zur Bestimmung von Wasserstoff, Methan, Ethen und Vinylchlorid (VC) im Grundwasser untersucht und validiert. Für die Probenahme werden folgende Ansätze beschrieben und diskutiert: i. aktive Probenahme: Pumpprobe und Probenahme von in Grundwasser gelösten Gasen in Gasbeprobungsrohren (Gasmaus) ii. passive Probenahme: Diffusionsprobenahme in Polyethylenbeuteln (PDB) und Kunststoffspritzen als Diffusionssammler für gelöste Gase Der Einsatz aktiver (Pumpprobenahme, Schöpfprobenahme) und passiver (Diffusionsprobenahme) Probenahmetechniken zur Gehaltsbestimmung von LHKW sowie Ethen und Methan in Grundwasser wird aus ordnungsbehördlicher Sicht hinsichtlich der Vergleichbarkeit von Analysendaten untersucht. Am Beispiel einer Kontamination mit Trichlorethen sowie 1,2-Dichlorethen und Vinylchlorid kann deutlich gemacht werden, dass die Einsatzmöglichkeit der passiven Probenahme durch unzureichende Strömungsverhältnisse im Aquifer sowie biologische Aktivität im Pegelrohr begrenzt ist. Der aktiven Probenahme ist bei ungeklärten oder unzureichenden Strömungsverhältnissen im Grundwasserleiter daher der Vorzug zu geben. Die chromatographischen Verfahren zur Bestimmung der Analyte werden umfänglich validiert und mit anderen geeigneten Analysenverfahren verglichen: I. Headspace-GC-FID zur Bestimmung von Methan, Ethen und VC aus der wässrigen Probenmatrix der Pumpprobe (i.) und des PDB (ii.) II. Direktinjektion-GC-PDD zur Bestimmung von Wasserstoff aus den gesammelten Gasproben der Gasmaus (i.) und der Kunststoffspritzen (ii.) Für die Bestimmung von Ethen und VC in Grundwasserproben (I.) werden Bestimmungsgrenzen von 0,1 μg/L erreicht. Methan kann aus wässrigen Proben nur ab 5 μg/L quantifiziert werden. Mit den Verfahren zur Bestimmung von Methan aus der Gasmaus (i.-II.) werden 0,1 μg/L im Grundwasser erreicht. Die Bestimmung von im Grundwasser gelösten Wasserstoff (II.) ist bis zu einer Konzentration von 1 nM möglich. Die Reproduzierbarkeit für die Bestimmung von Wasserstoff in Grundwasser liegt konzentrationsabhängig zwischen 10 bis 20% bei der aktiven Probenahme (i.-II.) und 10 bis 70% bei der passiven Probenahme (ii.-II.). Aus der Validierung der Analysenmethode und den Ergebnissen verschiedener Probenahmen werden Toleranzbereiche für die Ergebnisse eines Grundwassermonitorings abgeschätzt. Diese Streubreiten von Monitoring-Ergebnissen sollten von Ingenieurbüros und zuständige Ordnungsbehörden bei der Bewertung der komplexen Abbauprozesse eines LHKW-Grundwasserschadens beachtet werden.
A number of currently recommended sampling techniques for the determination of hydrogen in contaminated groundwater were compared regarding the practical proficiency in field campaigns. Key characteristics of appropriate sampling procedures are reproducibility of results, robustness against varying field conditions such as hydrostatic pressure, aquifer flow, and biological activity. Laboratory set-ups were used to investigate the most promising techniques. Bubble stripping with gas sampling bulbs yielded reproducible recovery of hydrogen and methane which could be verified for groundwater sampled in two field campaigns. The methane content of the groundwater was confirmed by analysis of directly pumped samples thus supporting the trueness of the stripping results. Laboratory set-ups and field campaigns revealed that bubble stripping of hydrogen may be restricted to the type of used pump. Concentrations of dissolved hydrogen after bubble stripping with an electrically driven submersible pump were about one order of magnitude higher than those obtained from diffusion sampling. The gas chromatographic determination for hydrogen and methane requires manual injection of gas samples and detection by a pulsed discharge detector (PDD) and allows limits of quantification of 3 nM dissolved hydrogen and 1 µg L-1 dissolved methane in groundwater. The combined standard uncertainty of the bubble stripping and GC/PDD quantification of hydrogen in field samples was 7% at 7.8 nM and 18% for 78 nM.
The concentration of contaminants in groundwater samples can be decreased by degradation in the time course between field sampling and quantification in the laboratory, especially in samples from sites where degradation activity is enhanced by remediation measures. The sampling sites covered a variety of priority organic pollutants such as volatile aromatic and chlorinated compounds, phenols and petroleum hydrocarbons and different remediation strategies such as anaerobic and aerobic microbial in situ degradation, in situ chemical oxidation, and on-site purification with biological treatment. The stability of the contaminants' concentration was investigated over a time range of several hours without cooling in the autosampler of the analytical equipment (short term) and over several days of storage until analysis (long term). A number of stabilisation techniques suggested in international standards ISO 5667-3:2013 and ASTM D6517:2000 were compared both with regard to short term and long term stabilisation of the contaminants and their practicability for field sampling campaigns. Long term storage turned out to be problematic for most compound groups even under cooling. Short term stability was problematic also for volatiles such as benzenic aromates, naphthalene and volatile organic halogenated compounds to be analysed by headspace gas chromatography. Acidification (pH <2) was sufficient to prevent degradation of benzenic aromates, naphthalene, phenols and petrol hydrocarbons for up to seven days. The use of acids was not applicable to stabilise volatiles in waters rich in carbonates and sulphides due to stripping of the volatiles with the liberated gases. The addition of sodium azide was successfully used for stabilisation of volatile organic halogenated compounds.
Als Folge der industriellen Produktion und der vielfältigen industriellen Nutzung von organischen Lösungsmitteln sind eine Vielzahl von Edukten, Zwischen- und Endprodukten in die Umwelt eingetragen worden und führen zu massiven Verunreinigungen des Bodens und des Grundwassers. Die Untersuchung und Sanierung des Grundwassers stellt einen aktuellen Schwerpunkt in der Altlastenbearbeitung dar. Vielfach werden klassische pump & treat-Verfahren zur Grundwassersanierung verwendet. Diese aktiven Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen werden jedoch unter dem Gesichtspunkt der Verhältnismäßigkeit häufig als ineffizient eingeschätzt. Als Alternative sollen die natürlichen Abbauprozesse im Grundwasserleiter genutzt oder gezielt verstärkt werden, um auf diesem Weg eine in-situ-Sanierung des Grundwasserleiters zu erreichen. In den letzten Jahren haben sich verschiedene Sanierungsverfahren etabliert, bei denen durch die Zugabe von Hilfsstoffen die mikrobiologische Aktivität des Aquifers erhöht wird bzw. Stoffe zugeführt werden, die mit den Schadstoffen reagieren (in-situ chemische Oxidation bzw. Reduktion, ISCO). An ausgewählten Standorten ist auch die aktive Sanierung (pump & treat, on-site- Sanierung) mit biologischem Schadstoffabbau (Bio-Filter) kombiniert worden. Um den Sanierungsverlauf zu verfolgen und zu optimieren, ist die Beprobung von Grundwasser aus dem Grundwasserleiter oder aus laufenden Anlagen erforderlich. In Fällen der gesteigerten mikrobiologischen Aktivität des Grundwassers treten gehäuft Probleme bei der Stabilisierung der Wasserproben auf. Die forcierten Abbauprozesse der Schadstoffe gehen nach der Probenahme in der Probenflasche weiter, bis die Energiebasis der Mikrobiologie aufgebraucht ist. Durch eine geringe Temperaturerhöhung beschleunigen sich diese Prozesse zusätzlich. In der Folge können die Schadstoffgehalte teilweise innerhalb weniger Stunden stark reduziert werden. Im Analysenlabor wird dann ein Schadstoffgehalt nachgewiesen, der nicht mehr die Verhältnisse im Aquifer bzw. im Ablauf der Reinigungsstufen widerspiegelt. Eine Einschätzung des Sanierungsfortschritts oder der Reinigungsleistung ist unter diesen Bedingungen stark fehlerbehaftet und kann zu groben Fehlinterpretationen führen. Grundwasserproben, die einem Aquifer mit hoher natürlicher oder initiierter mikrobiologischer Abbauaktivität entstammen, müssen daher zusätzlich stabilisiert werden, um den Ist-Zustand zum Zeitpunkt der Probenahme zu erfassen. Die Konservierung von Wasserproben bei der Probenahme von Grundwasser ist in der Normung umfangreich beschrieben: Die EN ISO 5667-3 von 2004 ist im Normausschuss (NA 119-01-03-01-01) überarbeitet und 2012 als Norm verabschiedet worden (EN ISO 5667-3, 03.12, deutsche Fassung DIN EN ISO 5667-3, 03-2013) [1], In Einzelfällen hat sie sich nicht als ausreichend erwiesen, um die Stabilität der organischen Schadstoffe in den oben beschriebenen Wasserproben zu gewährleisten.
Der Einsatz aktiver (Pumpprobennahme,
Schöpfprobennahme) und passiver (Diffusionsprobennahme)
Probennahmetechniken zur Gehaltsbestimmung von
LHKW sowie Ethen und Methan in Grundwasser wird aus
ordnungsbehördlicher Sicht hinsichtlich der Vergleichbarkeit
von Analysendaten untersucht. Am Beispiel einer Kontamination
mit Trichlorethen sowie 1,2-Dichlorethen und
Vinylchlorid kann deutlich gemacht werden, dass die Einsatzmöglichkeit
der passiven Probennahme durch unzureichende
Strömungsverhältnisse im Aquifer sowie biologische
Aktivität im Pegelrohr begrenzt ist. Der aktiven Probennahme
ist bei ungeklärten oder unzureichenden Strömungsverhältnissen
im Grundwasserleiter daher der Vorzug
zu geben. Das gaschromatographische Verfahren für Vinylchlorid
mittels Dampfraumtechnik wird um die Quantifizierung
von Methan und Ethen erweitert. Dabei werden für
die Bewertung von Altlasten relevante Bestimmungsgrenzen
von 0,1 µg/l (Vinylchlorid, Ethen) sowie 5 µg/l (Methan)
erreicht.
Aus der Validierung der Analysenmethode und den
Ergebnissen verschiedener Probennahmen werden Toleranzbereiche
für die Ergebnisse eines Grundwassermonitorings
abgeschätzt. Diese Streubreiten von Monitoring-
Ergebnissen sollten von Ingenieurbüros und zuständigen
Ordnungsbehörden bei der Bewertung der komplexen Abbauprozesse
eines LHKW-Grundwasserschadens beachtet
werden.