Verhalten von Arsen und Chrom in einem mit Holzschutzmitteln belasteten Boden
In dieser Arbeit wird eine umfassende Charakterisierung von Mechanismen, die die Bindung und den Transport von Arsen und Chrom in einem durch den Eintrag von arsen- und chromhaltigen Holzschutzmitteln stark belasteten Boden kontrollieren, präsentiert. Der Einsatz vielfältiger Methoden erlaubte darüber hinaus eine Evaluierung von Versuchsansätzen zur Abschätzung der Mobilität von Arsen und Chrom. Die Untersuchungen fanden auf dem Lagerplatz eines ehemaligen Holzimprägnierwerkes statt. Der Lagerplatz weist zwei Besonderheiten auf: (1) Eine stark hydrophobe Bodenoberfläche bewirkt eine nur punktuelle Infiltration. (2) Mitte der achtziger Jahre wurde einmalig Fe(II)-Sulfat auf der Bodenoberfläche ausgebracht, um Cr(VI) durch Reduktion zu immobilisieren. Der Boden, ein Podsol aus Flugsanden, wurde bis in eine Tiefe von 200 cm beprobt. Festphasenkonzentrationen von As und Cr wurden in Mischproben bestimmt. Die für eine Bindung relevanten Festphasen wurden in selektiven Extraktionen mit Oxalat- und Dithionitlösungen untersucht. Die Mobilisierung von Arsen und Chrom aus der Festphase wurde in verschiedenen standardisierten Elutionsversuchen (z.B. Bodensättigungsextrakt, BoSE), in einem Säulenversuch und durch die kontinuierliche Beprobung von Bodensickerwasser über einen Zeitraum von zehn Monaten charakterisiert. Zu den Freilandarbeiten gehörten weiterhin die Untersuchung der Hydrophobizität des Bodens und die Durchführung eines Farbtracer-Experiments zur Visualisierung dominierender Fließmuster. Die Entnahme von Grundwasser erfolgte über den Zeitraum von zehn Wochen. Simulationen mit einem numerischen 2D-Transportmodell evaluierten die Konsequenzen der hydrophoben Bodenoberfläche für den Stofftransport. Gesamtgehalte von As und Cr nahmen mit der Tiefe ab und lagen zwischen 103 – 384 mg/kg As und 168 – 1086 mg/kg Cr innerhalb der obersten 65 cm. Die Eisengehalte nahmen von 3,5 g/kg in der obersten Schicht bis auf 0,5 g/kg unterhalb 65 cm ab. Diese für einen Podsol untypische Fe-Verteilung wurde auf die durch die Applikation von Fe(II)-Sulfat erfolgte Anreicherung von Fe im Oberboden zurückgeführt. Die selektiven Extraktionen wiesen auf die Dominanz von geringkristallinen Fe(III)-Festphasen hin. Die Bodenbehandlung mit Fe(II)-Sulfat hatte somit zwei Effekte, die Immobilisierung von Chromat und die Entstehung zusätzlicher Adsorbenten. Aluminium wies die höchsten Gehalte mit 7,3 g/kg in dem Bs-Horizont des Podsols auf und lag hier höchstwahrscheinlich in schwach kristallinen Aluminosilikaten vor, die sich durch ein hohes Anionensorptionsvermögen auszeichnen. Der Boden verfügt daher vor allem in den obersten 65 cm über Bindungskapazität. Cr wurde entweder als Cr(VI) bis in das Grundwasser verlagert oder zu Cr(III) innerhalb der obersten Bodenschichten reduziert. Es bildeten sich nachfolgend Cr(III)-Festphasen bzw. bei der Verfügbarkeit von Fe(II) Cr/Fe-Mischphasen. Die Ausfällung einer reaktiven Cr(III)-haltigen Festphase bedeutete eine Erhöhung des Bindungsvermögens des Bodens. As lag als As(V) adsorbiert an Fe- und Cr-Hydroxiden vor. In den selektiven Extraktionen wurde eine enge Assoziation zwischen As und Al im Bs-Horizont deutlich. Sowohl in den Elutionsversuchen als auch in den Säulenexperimenten zeigte sich eine hohe Auslaugbarkeit von As und Cr über das gesamte beprobte Profil. Die Konzentrationen im BoSE lagen zwischen 68-412 µg/L As und 295-915 µg/L Cr. Die im Säulenversuch beobachteten Maximalkonzentrationen bewegten sich in dem im BoSE ermittelten Bereich. Der Stoffaustrag aus den Bodensäulen konnte für As mit einem linearen Modell und für Cr mit einer asymptotisch verlaufenden Funktion beschrieben werden. Die Beprobung des Sickerwassers bestätigte die hohe Mobilität der beiden Elemente auch im Freiland; die mittleren Konzentrationen betrugen 167 µg/L As und 62 µg/L Cr. Die Sickerwasserkonzentrationen variierten räumlich um zwei bis drei Größenordnungen. Sowohl der BoSE als auch der Säulenversuch waren geeignet, die in-situ auftretenden Maximalkonzentrationen abzuschätzen. Das Farbtracer-Experiment offenbarte einen stark präferenziellen Wasserfluss in diesem Boden, der durch die ausgeprägte Hydrophobizität der Bodenoberfläche verursacht wird. Die räumliche Variabilität der Sickerwasserkonzentrationen kann laut Simulationsstudie dem präferenziellen Transportregime zugeschrieben werden. Der präferenzielle Fluss bewirkt in der jetzigen Phase, in der kein Stoffeintrag mehr stattfindet, dass belastete Bodenzonen effektiv umflossen und vor einer Auswaschung geschützt werden. Hinsichtlich einer Verlagerung bis in das Grundwasser stellt Cr nach wie vor ein Problem an diesem Standort dar. Die Chromkonzentrationen im Grundwasser lagen zwischen 53 und 326 µg/L, während As in nur geringen Konzentrationen (< 10 µg/L) gemessen wurde. Auch nach der Stilllegung von Holzimprägnierwerken kann das Risiko einer Grundwasserkontamination durch Stoffeinträge aus der ungesättigten Bodenzone für viele Jahre fortbestehen.
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