Original paper

Laborsäulenversuche zum Redoxverhalten anorganischer Spurenstoffe

[Column experiments for studying the redox behaviour of inorganic trace elements.]

Hencke, Jörg; Schulz, Horst D.

Kurzfassung

Die Mobilität von Spurenmetallen im Grundwasser ist wesentlich vom Redoxmilieu des betrachteten Systems bestimmt. Grundwasserbeprobungen in einer anoxischen Uferfiltrationsstrecke zeigen eine Freisetzung von Arsen und Molybdän sowie eine Festlegung von Uran, die auf einen Wechsel von oxidierenden zu reduzierenden Verhältnissen zurückzuführen sind. Um die zugrundeliegenden Prozesse zu untersuchen, wurden anoxische Säulenversuche mit natürlichem Material aus dem Untersuchungsgebiet durchgeführt. Die Eingabe eines acetathaltigen Versuchswassers führte in den Säulen durch mikrobiellen Umsatz zu einer schnellen Einstellung reduzierender Verhältnisse bis hin zur Sulfatreduktion. Dieser Elektronenumsatz konnte erfolgreich bilanziert werden. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit eines gleichzeitigen Ablaufens nahezu aller redoxrelevanten mikrobiellen Umsätze auf engstem Raum. Die Versuche weisen eine enge Kopplung zwischen diesen biotischen und den abiotischen Redoxreaktionen nach. Vor allem unterschiedliche Mn(III/IV)-Gehalte in den vergleichend eingesetzten Festphasen beeinflussen das Redoxverhalten des Systems. Diese Auswirkungen zeigen sich auch in der beobachteten Dynamik der Spurenelemente As, Mo und U, die in Abhängigkeit vom Versuchsmaterial in unterschiedlichem Maße in Lösung gebracht werden. Entscheidend für die beobachtete Freisetzung der Spurenstoffe sind hier weniger die Redoxreaktionen der Spurenelemente selbst, sondern vielmehr die Reaktionen der primären Trägerminerale des Eisens und des Mangans.

Abstract

The transport behavior of trace elements in natural environments is strongly affected by the redox-conditions of the system. Groundwater samples from a bank filtration site reveal the dissolution of As and Mo as well as the loss of mobility of U when the redox-state of the system changes from oxic to anoxic conditions. In order to examine the processes these observations are based on, we decided to carry out anoxic column experiments with materials from the bank filtration site. The input of acetate as an electron donor leads to reducing conditions up to sulfate reduction within a few weeks. The electron-balance for the sum reactions could be calculated with success. The overall results give evidence for a simultaneous occurrence of all microbial mediated redox-reactions within a few centimeters. The experiments show the coupling between biotic and abiotic redox-reactions. Especially the Mn(III/IV)-contents of the studied sediments have a great influence on the behavior of the system. The mobility of As, Mo and U reflects these affects. Finally it can be stated that not the redox-reactions of the trace elements themselves, but the redoxdepending reactions of the potential scavenger-phases, Fe and Mn, are responsible for the mobility.