Entwicklung von Passivsammlern zum zeitlich integrierenden Depositions- und Grundwassermonitoring: Adsorberkartuschen und Keramikdosimeter

Abstract

Bisher werden in Überwachungsmessnetzen für die Deposition aus Niederschlägen ebenso wie für Grundwasser oder Oberflächengewässer in der Regel nur die momentanen Schadstoffkonzentrationen bei der Beprobung erfasst (Stichtagsmessungen). Die für die Bewertung einer Wassergefährdung wichtigen langfristig auftretenden Konzentrationsschwankungen werden dabei ebenso wenig ermittelt wie kurzfristige Extremwerte (letztere werden eher zufällig gefunden, was noch größere Interpretationsfehler zur Folge haben kann). Ziel des hier verwendeten Passivsammler-Konzepts ist es, eine über lange Zeiträume integrierende Mittelung bereits bei der Probenahme (Summenanalyse) zu erreichen. Damit reduziert sich nicht nur die Zahl der notwendigen Analysen bis auf ganz wenige integrierende Summenanalysen, sondern es werden auch Fehler bei der Probenahme sowie dem Transport und der Lagerung der Probe (z.B. durch Ausdampfen oder Sorption) vermieden. In der Arbeit wurden zwei zeitlich integrierende Wasserbeprobungssysteme für organische Schadstoffe entwickelt, die es erlauben, die mittleren Schadstoffkonzentrationen mit nur wenigen integralen Messungen (Langzeitüberwachung) zu erfassen und damit sehr kostengünstig arbeiten. Im Falle der atmosphärischen Deposition erfolgt dies durch den Einsatz von Adsorberkartuschen, in denen sich ein Adsorbermaterial befindet, welches die Schadstoffe aus dem Niederschlagswasser durch Adsorption aufnimmt. Nach der Extraktion ist so eine quantitative Bestimmung der Depositionsrate möglich. Im Falle der Grundwasserbeprobung wird die zeitlich integrierende Messung der Schadstoffe im Wasser durch den Einsatz von Keramikdosimetern erreicht, die z.B. in bestehende Grundwassermessstellen eingebaut werden. Einmal ins Wasser eingebracht, reichem die Keramikdosimeter während des gesamten Beprobungszeitraums (bis zu mehreren Monaten) kontinuierlich Schadstoffe aus dem Kontaktwasser an. Dies erfolgt ohne aktives Zutun wie z.B. Pumpen, d.h. ohne Störung der Grundwasserhydraulik und somit auch ohne die Gefahr der Beeinflussung der Schadstoffkonzentrationen. Die Keramikdosimeter bestehen aus einem mit Adsorbermaterial (auf die Schadstoffe abgestimmt) gefüllten Keramikrohr, wobei die poröse Keramik als nur für die Schadstoffe durchlässige Membran wirkt. Zudem sind die Keramikdosimeter aufgrund der Limitierung der Schadstoffaufnahme durch Diffusion durch die Keramikmembran hindurch kalibrierbar. Prinzipiell ist das Verfahren ebenso für Oberflächengewässer oder Abwasser geeignet. Als Schadstoffgruppe wurde v.a. die der Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) untersucht, da sie wohl zu den am weitesten verbreiteten organischen Verunreinigungen in der Umwelt überhaupt gehören.

The common sampling methods for monitoring the deposition from precipitation as well as for groundwater or surface water monitoring as a rule only detect the momentary concentrations of contaminants (a snapshot in time). The long-term variations in concentrations, important for the evaluation of the water quality, are not determined nor are the short-term extreme values (which, when they have been found by chance, can lead to even bigger interpretation errors). The aim of the passive sampler concept used here is to obtain a time-integrated averaging during sampling (sum analysis) over a longer time period. This reduces not only the number of necessary analyses to only a few integrating sum analyses but also prevents artefacts from being introduced during sampling, transportation and Storage (e.g. due to evaporation or sorption) of the sample. In this thesis, two time-integrating water sampling methods for organic contaminants have been developed that facilitate the detection of the mean contaminant concentrations with only a few integrating analyses (long-term monitoring) and, therefore, work at very low costs. For the case of atmospheric deposition the time integration is obtained with the use of adsorption cartridges filled with an adsorbent material that takes up contaminants from the percolation water through adsorption. In this way the quantitative determination of the deposition rate after extraction is obtained. The time-integrated monitoring of contaminant concentrations in groundwater is achieved by using ceramic dosimeters that are installed, for example, in existing sampling wells. Once put into the water, they continuously accumulate contaminants during the whole sampling period (up to many months) from the contact water. This is achieved without active assistance, i.e. without a disturbance of the hydraulic flow field by pumping and therefore without the danger of influencing the concentration of the contaminants. The ceramic dosimeter consists of a ceramic tube containing an adsorbent material (suitable for the contaminants) in which the porous ceramic serves as a membrane which is only permeable for the contaminants. In addition to this, the ceramic dosimeters can be calibrated since the contaminant uptake is limited by diffusion through the ceramic membrane. In principle, this concept is suitable for both surface and waste waters as well. The Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) was the most surveyed group of contaminants because they are one of the most wide-spread of all organic pollutants in the environment.