Arbeitsspektrum
Deponieüberwachung
mit Isotopenmethoden
In besiedelten und industrialisierten Gebieten erweist sich die exakte Identifizierung der
Quellen von Inhalts- oder Schadstoffen, die ins Grundwasser gelangt sind, häufig als äußerst schwierig. Die zumeist eingesetzten rein hydrochemischen Untersuchungsverfahren sind nur bei einfachen Herkunfts- oder Eintragsbedingungen bzw. bei eindeutigen Schadstofffahnen und einfachen Umsetzungsprozessen geeignet, die Herkunftszusammenhänge zu klären. Liegen komplexe hydrogeologische Rahmenbedingungen und eine Mehrzahl von möglichen Quellen vor, können hierfür ergänzende Isotopenuntersuchungen an den Inhalts- oder Schadstoffen des Grundwassers herangezogen werden.
Viele chemische Elemente besitzen Isotope. Wasserstoff z.B. besitzt zwei stabile Isotope, 1H (99,99 %) und 2H (Deuterium) sowie das radioaktive Isotop 3H (Tritium).
Durch physikalische, chemische und biologische Prozesse werden Isotopenverhältnisse geändert. Diese Isotopeneffekte führen zu einer örtlichen und zeitlichen Markierung der unterschiedlichen Stoffsysteme. Bei der Analyse von stabilen Isotopen wird in der Regel nicht der absolute Gehalt sondern ein Isotopenhäufigkeitsverhältnis bestimmt. Dies wird im Vergleich zu einem internationalen Standard angegeben. Beim radioaktiven Isotop Tritium wird der radioaktive Zerfall gemessen und in Tritium Units (TU) angegeben. Dies entspricht 23 Bq/L Wasser.
Die Reaktion zwischen dem Inhalt einer Hausmülldeponie und der Umwelt erfolgt im wesentlichen über die Abgabe von Gas und Sickerwasser. Die Isotopensignaturen von CH4 und CO2 in den Sickerwässern von Hausmülldeponien unterscheiden sich in den meisten Fällen signifikant von den natürlichen Isotopenverhältnissen. Die Praxis hat gezeigt, dass die Isotopenmethoden ein sehr brauchbares Instrumentarium zur Bestimmung der in einer Deponie ablaufenden Prozesse sind. Abströmende Sickerwasser und deren Verbindung zum Grundwasser können so identifiziert werden.
Trägt man in einem Diagramm δ2H gegen δ18O auf, so liegen die Werte für meteorisch beeinflusste Wässer au f der sog. mittleren Niederschlagsgeraden. Erfährt das Niederschlagswasser eine Verdunstung, wie es z.B. bei stehenden Gewässern in heißem Klima oder bei Verrieselung von Abwasser typisch ist, kommt es im Wasser zu einer Anreicherung von 18O und 2H und damit zu einer Verschiebung der Werte von der Niederschlagsgeraden nach rechts. In Deponien mit organischen Einlagerungen (z.B. Hausmülldeponien) wird bei der Zersetzung des organischen Materials Wasser gebildet. Die Wasserbildung erfolgt unter Bildung von Wasserstoff (H2) und Methan (CH4). Es tritt eine Isotopentrennung zwischen H2/CH4 und Wasser auf. Bevorzugt wird der schwere Wasserstoff 2H im Wassermolekül eingelagert. Das in der Deponie gebildete Wasser ist somit im Vergleich zum Niederschlagswasser an 2H angereichert.
Die Anreicherung an 2H und eine eventuelle Anreicherung an 18O durch Verrieselung oder Verdunstung führen zu einer spezifischen Isotopensignatur. Dies zeigt sich durch eine Verschiebung nach oben und nach rechts von der mittleren Niederschlagsgeraden. Durch Bestimmung des 18O und 2H-Gehalts können also Aussagen über die in einer Deponie ablaufenden biologischen Prozesse und den Anteil des gebildeten Wassers gemacht werden. Durch Vergleich mit dem Isotopenverhältnis des Grundwassers können eventuelle Mischungsprozesse festgestellt werden.
Die Hauptquelle des in der Umwelt vorhandenen anthropogenen Tritiums waren lange Zeit die oberirdischen Atomversuche der Jahre 1950 bis 1963. Seit Beendigung der
Atomversuche nimmt der Tritiumgehalt infolge des radioaktiven Zerfalls des Tritiums kontinuierlich ab. Es zeigt sich, dass die Sickerwässer aus Deponien ca. 10 bis 200.000 TU haben. Der Mittelwert von 800 TU für Sickerwässer liegt deutlich über den Werten wie sie aus mittleren Niederschlägen in Europa (ca. 8 TU), oberflächennahen Grundwässern und Tiefengrundwässern bekannt sind. Für die meisten Deponien ist nicht eindeutig geklärt, woher der hohe Tritiumgehalt im Sickerwasser kommt. Ist eine Deponie allerdings mit 3H markiert, so stellt es einen idealen Markierungsstoff für die Ausbreitung der Deponiesickerwässer dar, da es von chemischen und mikrobiellen Prozessen unbeeinflusst bleibt.
Der gelöste anorganische Kohlenstoff (dissolved inorganic carbon, DIC) liegt im Wasser größtenteils als CO2 und Hydrogencarbonat (HCO3-) vor. Die Bildung des Hydrogencarbonats erfolgt meist durch die Auflösung von Carbonaten mit CO2. Wird CO2 unter aeroben Bedingungen aus organischem Material gebildet, so liegt der δ13C-Wert im Bereich des organischen Materials. Wird es aber unter anaeroben Bedingungen unter gleichzeitiger Bildung von Methan (CH4) gebildet, so tritt bei CO2 eine Anreicherung des schweren 13C gegenüber dem 12C ein. Bei der Bildung von Hydrogencarbonat tritt nochmals eine 13C-Anreicherung im Hydrogenkarbonat gegenüber dem CO2 auf. Das gebildete HCO3- und somit auch der DIC ist in Deponiesickerwässern sehr stark mit 13C angereichert. Deponiesickerwässer weisen im Vergleich zu den meisten Grundwässern zudem sehr hohe DIC-Konzentrationen auf. Mit dieser Methode lassen sich geringe Anteile (im %-Bereich) von Deponiesickerwässern in Grundwässern nachweisen.