Ableitung der Reaktivität von organisch gebundenem Kohlenstoff in redoxzonierten Grundwasserleitern – Hydrogeochemische Modellierung kinetisch angetriebener Reaktionssysteme

Zusammenfassung

In vielen Wassergewinnungsgebieten wird die chemische Beschaffenheit der Grund- und Rohwässer entscheidend durch die Reaktion von organisch gebundenem Kohlenstoff (OC) mit den im Grundwasser gelösten Oxidationsmitteln O_2(aq), Nitrat und Sulfat beeinflusst. Die Redoxreaktionen zwischen dem Reduktionsmittel OC und den Oxidationsmitteln folgen zwar thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten, sind aber kinetisch gehemmt. Um die Entwicklung der Grund- und Rohwasserqualität mithilfe eines reaktiven Stofftransportmodells berechnen zu können, muss die Reaktionskinetik des organisch gebundenen Kohlenstoffs berücksichtigt werden. Am Beispiel des Wassergewinnungsgebietes Forstwald (Krefeld) wird praxisnah gezeigt, wie die Reaktionskinetik von OC aus routinemäßig durch den Wasserversorger erhobenen Daten zur Grundwasserbeschaffenheit abgeleitet und in ein reaktives Stofftransportmodell (PhreeqC) implementiert werden kann. Die chemisch-thermodynamisch basierte Berechnung der Verteilung aquatischer Spezies im Gleichgewicht mit Mineral- und Gasphasen wird mit einer doppelten Michaelis-Menten-Kinetik für den oxidativen Abbau feststoffgebundener organischer Kohlenstoffverbindungen gekoppelt. Anhand von Messwerten zur räumlich-zeitlichen Entwicklung der Grundwasserbeschaffenheit wird der Ansatz auf Plausibilität geprüft.

Abstract

Within a multitude of groundwater catchment areas, ground- and raw water quality depend foremost on the reaction between organic carbon and dissolved oxidants, in particular O_2(aq), nitrate und sulphate. Although the redox reactions between organic carbon (as the reductive agent) and the oxidants follow the principles of chemical thermodynamics, they are often kinetically inhibited. Modelling of concentration changes in ground- and raw water quality using hydrogeochemical reactive transport models therefore requires an imple-mentation of the kinetically-limited oxidation of organic carbon. As illustrated by the case study at Forstwald (Krefeld, Germany), it is demonstrated how organic carbon reactivity can be derived from routinely measured groundwater data and implemented in a reactive transport model using the program PhreeqC. Based on equilibrium chemistry of aqueous solutions including minerals and gases, equilibrium calculations are coupled with a dual Michaelis-Menten-kinetic model to simulate the sequential oxidative degradation of solid-state, non-mobile organic carbon along the flow path. The model is verified by com-paring measured and modelled data of temporal and spatial development of groundwater quality.