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| GLIEDERUNG | |
| Zusammenfassung | Probenahme |
| Summary | Methodik |
| Einleitung und Fragestellung | Ergebnisse |
| Geographische Lage | Danksagung |
| Geologische und hydrogeologische Situation | Literatur |
| ABBILDUNGEN & TABELLEN | ||
Abb. 1 |
Abb. 2 |
Abb. 3 |
Abb. 4 |
Abb. 5 |
Tab. 1 |
Durch die vorliegenden Untersuchungen kann aufgezeigt werden, daß die Dichtschicht auch nach 10 jähriger Kontamination die Funktion des Schadstoffrück-halts bez. SM und anorganischer Anionen erfüllt hat und ihre Adsorptionsfähigkeit darüberhinaus bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.
The following results clearly demonstrate that - even after a 10-year contamination - the base mineral liner has fulfilled the requirements of resorption of pollutants (i.e. metals and anions). Furthermore, the layer’s capacity of adsorption is far from reaching its limits.
Etwa 10 Jahre später wurde die Notwendigkeit einer Sanierung ”von Grund auf” erkannt und mit einer Erweiterung der Deponiekapazität in Form einer Bergschüttung durch die NUA sinnvoll kombiniert. Für das Institut für Angewandte Geologie, Univ. für Bodenkultur Wien, ergab sich dabei die außerordentliche Gelegenheit, eine über 10 Jahre kontaminierten Sickerwässern ausgesetzte Basisdichtschicht zu beproben und zu untersuchen.
Hintergrund dieser Untersuchungen war die Fragestellung, ob die mineralische Basisdichtung, wie sie in Horn vorlag, die ihr zugedachte Funktion des Schadstoffrückhalts über Jahre hinweg tatsächlich in entsprechender Weise erfüllt hatte. Dazu wurden Gesamtmineraluntersuchungen, Korngrößenanalysen, Plastizitäts-, Durchlässigkeits- und Tonmineralbestimmungen durchgeführt, sowie Kationenaustauschkapazität, SM- und Anionenverteilungen ermittelt und darüberhinaus Diffusionsversuche durchgeführt.
Abgesehen von einer westlich angrenzenden, baumbestandenen Grünfläche
samt Teich liegt die Deponie inmitten intensiv bewirtschafteter Agrarlandschaft.
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Abb. 1: Geographische Lage des Horner Beckens innerhalb der Böhmischen Masse |
Grundsätzlich können im Beckenbereich zwei GW-Körper unterschieden werden, wobei der tiefere gespannt ist und einen rund 20-30 m unter GOK liegenden Druckausgleichsspiegel aufweist. Daneben liegen flurnahe Horizonte mit örtlich unterschiedlicher Bedeutung und einem Ruhewasserspiegel von 4-8 m unter GOK vor. Die GW-Strömungsrichtungen verlaufen im Bereich des Beckenknies und der Deponie von NE nach SW - Richtung Horn (Werner 1993). Die GW-Erneuerung erfolgt vorwiegend durch Gerinne, die dem Becken von außen zufließen. Geringere Beiträge leistet der im direkten Einzugsbereich des Beckens fallende und versickernde Niederschlag mit etwa 15 % des Jahresniederschlags von ca. 600 mm. Insgesamt handelt es sich beim Horner Becken um ein bedeutendes GW-Vorkommen (Werner 1993).
Auch im Deponieareal können zwei GW-Stockwerke unterschieden werden, die einen Kies- und Sandanteil von vorwiegend 80-90 % und eine Durchlässigkeit zwischen 3·10-5 bis 6·10-4 m/s aufweisen. Die GW-Stauer mit Durchlässigkeiten zwischen 1,1·10-8 und 1,0·10-11 m/s werden im wesentlichen durch Ton-Schluffkomplexe oder Verwitterungsschwarten, bzw. durch das Basiskristallin gebildet. Die für die Basisabdichtung relevante Staueroberkante befindet sich in einer Tiefe von rund 10 m unter GOK.
Nach Trocknen und Vermahlen repräsentativ entnommener Teilproben erfolgte eine Analyse mittels Röntgendiffraktometrie (XRD; Philips PW 1710, Cu-LFF-Röhre und Graphitmonochromator). Die Identifikation der einzelnen Minerale wurde nach Brindley & Brown (1980) durchgeführt, eine semiquantitative Auswertung an texturfreien Präparaten erfolgte nach Schultz (1964).
Tonmineralanalyse (TMA):
Nach Behandlung der Gesamtproben mit H2O2 (15 %) um organische Bestandteile zu entfernen, wurde durch Sieben und Zentrifugieren die Tonfraktion (Korngrößen < 2 µm) gewonnen. Anschließend wurden die Tonminerale mit K+ und Mg++ monoionar belegt und Texturpräparate auf porösen Keramikscheiben hergestellt. Ergänzend wurden Quell- und Kontraktionstests mittels Glyzerin-, DMSO- und Ethylenglycol - Behandlung bzw. durch Tempern auf 550°C durchgeführt (Ottner et al. 1997). Die Messung erfolgte wie bei der GMA mittels XRD, wobei zur Identifikation der Tonminerale nach Brindley & Brown (1980), Wilson (1989) und Moore & Reynolds (1989) vorgegangen wurde. Die semiquantitative Auswertung erfolgte nach Riedmüller (1978).
Korngrößenanalyse:
Durch Sieben und Sedigraphieren (Micromeritics SediGraph 5000 ET) von mit H2O2 (15 %) behandelten und gut dispergierten Proben wurden die Korngrößenverteilungen ermittelt und als Kornsummenkurven, bzw. Korngrößenklassen dargestellt.
Durchlässigkeit:
Die Durchlässigkeit wurde an ungestörten Tonproben (aus Stechzylindern) nach STN 72 1020 mit konstantem hydraulischen Gradient i=30 bestimmt.
Kationenaustauschkapazität (KAK):
Die KAK wurde photometrisch durch die Sorption von blauem Kupfersulfat- und Triethylentetraminkomplex (Kahr & Meier 1996) bestimmt.
Gesamtaufschluß (SM-Untersuchung):
In einer Achatschale gemahlene Pulver wurden mittels einer Säuremischung aus HF und HNO3 in einem Mikrowellengerät aufgeschlossen. Im Österreichischen Forschungs- und Prüfzentrum Arsenal, Geotechnisches Institut, Abteilung Analytische Geochemie, wurden in den Lösungen mittels ICPMS die SM-Konzentrationen gemessen.
Anionenuntersuchung:
Das im Rahmen der GMA gewonnene Pulver wurde durch einen Wasserauszug zur Anionenbestimmung mittels Anionenchromatographen herangezogen (Chlorid, Nitrat, Sulfat).
Diffusionsversuche:
Nach der Durchlässigkeitsprüfung (s. oben) wurden die gesättigten Proben aus der Apparatur ausgebaut und mit einer Gummimembrane vor Austrocknung geschützt. Auf die erste Probe wurde tropfenweise gesättigte ZnCl2 -Lösung und auf die zweite wurden Kristalle von Pb(NO3)2 flächendeckend aufgetragen. Nach 30 bzw. 28 Tagen wurden die in dichten Plastikdosen verpackten und bei Dunkelheit und Zimmertemperatur abgestellt Proben quer zur Längsachse in ca. 0,5 cm dünne Scheiben geschnitten und schließlich deren Gesamtkonzentrationen von SM und Tracern (Anionen) analysiert. Dabei wurden die Scheiben zunächst bei 105-110°C getrocknet und nach einem Aufschluß mit Königwasser deren Blei- und Zink-Gehalte mit F AAS gemessen. Die Konzentration der Chloridionen wurde in wässriger Lösung mit ionenselektiven Elektroden gemessen, jene der Nitrationen wurde photometrisch bestimmt.
Das Experiment wurde als Diffusionsversuch im instationären Zustand nach Kahr et al. (1985) ausgewertet. Nach der einmaligen Zugabe des Schadstoffes auf die Oberfläche der Tonprobe nimmt die Konzentration der Schadstoffquelle mit der Zeit ab. Diese Situation wird vereinfacht mit der Gauss’schen Funktion beschrieben:
Wenn nun die im Diffusionsversuch ermittelten Werte graphisch aufgetragen werden, kann man versuchen, über die Punkte [x², c(x,t)] eine Exponentialfunktion der Form y = A·e-B·z (s. oben) zu eruieren (wenn z=x²). Da ist der apparente Diffusionskoeffizient, der in die Gleichung des zweiten Fick’-schen Gesetzes Eingang findet, wenn Sorptionsprozesse die Diffusion des Schadstoffes bremsen:
(dc/dt = Da · d² c / dx²) Da = D · t / Rf = De · tD ist der Diffusionskoeffizient in freier Lösung, [m²/s] (wurde aus Tabellen entnommen - Pitter et al. 1987; Fiúza 1995) , t ist die Tortuosität, De ist der effektive Diffusionskoeffizient [m²/s], der die Diffusion in porösem Material charakterisiert. Bei der Berechnung der Tortuosität wurde für die Anionen De = Da angenommen. Der Retardationsfaktor Rf gibt das Sorptionsvermögen des Tons wieder - das Verhältnis der mittleren Abstandsgeschwindigkeit des Wassers zur Transportgeschwindigkeit unter der Deponie. Da und Rf sind also wichtige quantitative Parameter des Rückhaltevermögens eines Tons.
Die untersuchten Proben bestehen in erster Linie aus Quarz (bis 75 %), daneben aus geringen Mengen an Feldspat (2-10 %), Glimmer und Kaolinit. Kalzit und Dolomit treten insbesondere in den obersten Zentimetern der Dichtschicht (Einfluß des Drainagekieses) und in den Müll-Lagen im Liegenden der Dichtschicht gehäuft auf. Innerhalb der Dichtschicht selber schwanken die Mengenverhältnisse der Minerale nur minimal. In der Tonfraktion (< 2 µm) dominiert Kaolinit (incl. Fireclay als schlecht kristallisierter Kaolinit) mit etwa 75-90 %. Smektit ist mit etwa 10 % vertreten, weiterhin konnten auch geringe Mengen an Illit semiquantitativ erfaßt werden.
Korngrößenverteilung:
In den bezüglich Schadstoffrückhalt besonders interessanten oberen Zentimetern der Dichtschicht zeigte sich ein sehr ähnlicher Aufbau mit einem Tongehalt von etwa 30 % und einem durchschnittlichen Schluffanteil von 30 % und 40 % Sand. Nach Müller (1961) sind die Sedimente als stark sandig, stark schluffige Tone zu bezeichnen.
Plastizität:
Die Bestimmung der Atterberggrenzen ergab Folgendes: Ausrollgrenze wP = 20 %, Fließgrenze wL = 54 %, Plastizitätsindex IP = 34 %. Nach ÖNORM B 4400 kann der Ton somit als TA, bzw. als “ausgeprägt plastischer Ton” bezeichnet werden.
Durchlässigkeit:
Der Durchlässigkeitsbeiwert kf beträgt zw. 1,03·10-11 und 1,27·10-11 m/s.
KAK:
Sie beträgt 5,0 - 9,7 mmol/100g.
SM- und Anionenverteilung:
Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden vertikale Konzentrationsprofile der umweltrelevanten SM Zink, Blei, Nickel, Kobalt, Kupfer etc. bestimmt. Aus den Konzentrationen dieser Elemente ergeben sich Hinweise auf das Adsorptionsverhalten der Dichtschicht. Es zeigte sich bei allen untersuchten SM eine hohe Anreicherung im ersten Zentimeter der Dichtschicht, während darunter (beachte geringe Tiefe!) die Werte relativ sprunghaft auf ein vergleichsweise sehr niedriges Niveau absinken (siehe SM-Verteilung in Abb. 2).
In den untersten Zentimetern ist bei einigen SM (Pb, Cd, Cu, Sb, Zn, Mn) ein erneuter, z.T. enormer Anstieg der Konzentrationen (z.B. Pb, s. Abb. 2) zu verzeichnen, was offensichtlich auf eine Altlast, bzw. einen Müllhorizont unbekannten Ausmaßes und Inhaltes unterhalb der Basisdichtschicht zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse der Anionenbestimmung liefern ähnliche Tendenzen wie die SM-Verteilung, nämlich ein rasches Absinken der Maximalkonzentration im Bereich der obersten Zentimeter auf ein relativ konstantes und niedriges Niveau innerhalb der Dichtschicht. Das gegenüber den SM doch tiefere Eindringen der Anionen erklärt sich aus deren wesentlich geringerer Adsorption an den Tonmineralen, bzw. aus der damit verbundenen höheren Mobilität.
Infolge oben erwähnter Altlast unterhalb der Basisdichtschicht
kam es wie bei den SM auch bei Anionen wieder zu ansteigenden Konzentrationen
in den unteren cm. Die Konzentrationsprofile der Sulfat- und Chloridionen
korrelieren dabei stark mit dem Verlauf der Leitfähigkeit (s. Abb.
3).
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Abb. 2: Vertikale Konzentrationsprofile der SM Cu, Zn und Pb innerhalb der Basisdichtung der Deponie Horn (Rösche 1). |
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Abb. 3: Chlorid- und Sulfatkonzentrationsprofile in Gegenüberstellung mit dem Leitfähigkeitsverlauf in der Basisdichtschicht von Horn (Rösche 1). |
Diffusionsversuche:
Die Resultate der Diffusionsversuche wurden als Konzentrationsprofile
dargestellt (s. Abb. 4). Die aus den Diffusionsversuchen
berechneten Retardationsparameter wurden mit den Daten von Wagner
(1991) für einen illitisch-kaolinitischen Ton verglichen (Tab.
1). Die Werte stimmen größenordnungsmäßig sehr
gut miteinander überein. Die Diffusion wird angesichts der niedrigen
Durchlässigkeitsbeiwerte (s. Ergebnisse) und damit praktisch zu vernachlässigender
Konvektion zum bestimmenden Transportmechanismus. Um die “in situ”-Diffusionskoeffizienten
abzuschätzen, wurden in erster Annäherung auch die Konzentrationsprofile
“in situ” (nach 10-jähriger Kontamination) mit der gleichen mathematischen
Vorgangsweise (Madsen 1995) wie für die Diffusionsversuche
für einen Zeitraum von 10 Jahren berechnet (s. Abb.
5). Die Resultate waren niedriger als die aus dem Diffusionsversuch:
für Chloridionen wurde Da =2,6·10-10
m²/s und t = 0,09-0,13, für Nitrationen
Da = 1·10-11 m²/s und t
= 0,005 ermittelt.
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Abb. 4: Konzentrationsprofile aus dem Diffusionsversuch an Basisdichtschichtmaterial, Horn (Rösche 1) |
Die aus dem Nitrat berechnete, niedrigere Tortuosität kann neben
dem Fehler der mathematischen Annäherung auch durch große Unterschiede
in den Ausgangskonzentrationen dieser zwei Anionen im Sickerwasser, möglicherweise
auch durch eine gewisse Retardation der Nitrationen im Ton erklärt
werden.
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Abb. 5: Berechnung der “in situ”-Nitratdiffusion innerhalb der Basisdichtschicht Horn (Rösche 1) unter Berücksichtigung des Zeitraumes von 10 Jahren (Deponiebetrieb). |
Unter Annahme konstanter Konzentration der Schadstoffquelle kann zur
Berechnung der Durchbruchszeit von Schadstoffen durch die mineralische
Barriere eine Errorfunktion nach Madsen & Kahr (1993)
herangezogen werden. Wird der Durchbruch als jener Moment definiert, zu
dem die austretende Konzentration an einem Ende der Dichtschicht (Mächtigkeit
= x) die Hälfte der Ausgangskonzentration am anderen Ende erreicht,
so ist die Durchbruchszeit (= t) einfach nach der Form t = x²/Da
auszurechnen. Für den Durchbruch relevant sind zunächst die mobilsten
Substanzen, wie etwa Chloridionen, welche unter Annahme konstanter Ausgangskonzentration
und richtig abgeschätztem Da -Wert (in situ) 40 Jahre nach
Beginn der Deponierung bzw. erst 30 Jahre nach Sanierung der Deponie und
Untersuchung der Basisdichtschicht durch dieselbe durchgebrochen wären.
Die Mobilität von SM ist durch das Adsorptionsverhalten verschiedener
Bestandteile der mineralischen Dichtschicht, v.a. der Tonminerale, u. U.
aber auch der Karbonate, wesentlich stärker eingeschränkt. Daher
würde es im konkreten Fall der untersuchten Basisdichtschicht der
Deponie Horn etwa bei Zn erst nach 200 Jahren oder bei Pb nach 950 Jahren
zum Durchbruch nach obiger Definition kommen. Trotz primärer Kontamination
der Proben durch Deponiesickerwässer während des 10-jährigen
Deponiebetriebes zeigen alle Proben nach wie vor hohes Schadstoffrückhaltevermögen,
besonders in bezug auf SM.
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Tab. 1: Retardationsparameter des Tons aus Horn im Vergleich mit einem ähnlich zusammengesetzten Ton nach Wagner (1991) [*) je nachdem, welcher Wert für t gewählt wurde] |
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